Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Обычно плотность Вселенной в целом и различных ее компонент выражают в единицах критической плотности. В этих единицах плотность нашей Вселенной вола в целом й = р(р„= 1,003 яыз . В отличие от величины средней плотности П (или р) Вселенной, ее состав известен значительно хуже. Наиболее хорошо определен вклад в плотность Вселенной той части, которую называют барионной мангерией. Она состоит из оптически ярких звезд (на их долю приходится лишь около !/10 массы барионной материи), межзвездной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звездной эволюции (включая черные дыры), планет и очень маленьких звезд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза.
Масса вещества, содержащегося во всех этих объектах, практически целиком сосредоточена в барионах (протонах и нейтронах), причем на долю протонов приходится 85%, а на долю нейтронов — 15% массы. Нейтроны связаны в ядрах, главным образом, в ядрах гелия. В среднем на 4-5 чз нынешней Вселенной приходится 1 протон и ! электрон Состояние Вселенной в настоящее время характеризуется величинами, приведенными в табл. 10.1. Вселенная в больших масштабах (> 100 Мпк) однородна и изотропна. Она содержит не менее 10н галактик.
Наша галактика — Млечный пугь— содержит 10п звезд. Средняя плотность р вещества и энергии во Вселенной определена с 2%-й точностью из большого числа разнообразных астрофизических наблюдений. Оказалось, что она в пределах точности опытных данных совпадает с критической нлоеносшыо р„. Последняя, как известно, выражается через постоянную Хаббла и гравитационную постоянную С: 440 Глава 10. Нуклеосиитез и Вселенная Таблыца 10.1 Характеристики Вселенной а настоящее время Рзм г Полное количество вещества и энергии 10 " г/смз Средняя плотность вещества и энергии 1078 Поднос барионное число (число нукчонов) < ю-4 73 ~ 4 км/(с Мпк) Доля антивешества Постоянная Хаббла Н Температура реликтового (фонового) излучения 2,73 К 410 см ' Плотность реликтовых фотонов Энергетическая плотность реликтовых фотонов 0,2б эВ/см' = 4,б 10 з4 г/см' Отношение числа барионов к числу реликтовых фотонов лл/и, (4 7-6 5) .!0-~ь Распространенность атомов (ялер): по числу по массе 91% 70,7% гелий 27,4% остальяые ядра < 0,2% 1,9% 1 мегапарсек = 3,1 .
10н км. ° первая — так называемая темная материя (г/аг/г таяег) с плотностью Не„= 0,20 — неизвестные, слабо взаимодействующие массивные частицы (не барионы). Это могут быть, например, стабильные нейтральные частицы с массами от !О ГэВ/с' до 1О ТэВ/сз, предсказы- (Вселенная электрически нейтральна). Плотность барионной материи невелика — всего 4% полной плотности Вселенной (Нд = 0,04). Главный же вклад в общее количество вещества-энергии Вселенной (около 96%) дает невидимая (не излучающая и не поглошающая) субстанция, которую называют темной (баг!1).
О ее существовании определенно свидетельствуют гравитационные эффекты. Данные наблюдений свидетельствуют также о том, что это темное ве!цество-энергия делится на две части: Э 3. Вселенная. Свидетельства Большою взрыли 441 Таблица 10.2 Вклад а полную плотность Вселенной различных форм материи (в елиницах р„= 1О " г/см') 1,003+,'ь,7 Полная плотность вещества-энергии ваемые суперсимметричными моделями, в том числе гипотетические тяжелые нейтрино; ° вторая — так называемая темная энергия (дагк елегйу) с плотностью Пл 0,76), которую интерпретируют как вакуум. Имеется в виду особая форма материи — физический вакуум, т.е.
наинизшее энергетическое состояние физических полей, пронизывающих пространство. Плотность энергии вакуума может быть не равной нулю и за счет квантовых эффектов достигать весьма больших значений. Помимо этих трех основных составляющих Вселенной — барионной материи, темной материи и вакуума — в ней в незначительном количестве (с точки зрения вклада в общую энергию) присутствуют фотоны и безмассовые (или почти безмассовые) нейтрино. Однако в далеком прошлом (первые десятки тысяч лет жизни Вселенной) эта релятивистская часть материи доминировала в ней, о чем будет сказано ниже.
Имеющиеся на сегодняшний день данные о составе Вселенной суммированы в табл. 10.2. Отметим, что плотность энергии вакуума, умноженную на 8я6/с~, называют косиологической лостолииой Л. В связи с наличием во Вселенной различных форм материи уместно кратко рассмотреть вопрос о том, как должны быть связаны между собой основные термодинамические характеристики Вселенной — плотность и давление, а также какова зависимость размера Вселенной Л от времени 1, если одна из этих форм доминирует. Связь между плотностью р и давлением р (уравнение состояния материи) в общем случае может быть записана в виде — =ар, р= (10.5) где а — не зависящая от времени константа. Использование в первом законе термодинамики этого соотношения приводит к следующей зави- 442 Глава 1О.
Нуклеосинтез и Вселенная Таблипа 10.3 Характеристики Вселенной при доминировании в ней различных форм материи симости р от В В-зрч- ! (10.6) Динамика расширяющейся Вселенной описывается уравнением Фридмана, которое мы здесь не приводим. Из него при а Ф вЂ” 1 получается следующая связь между В н 1: В (з! ~1, (!0.7) Во Вселенной с точки зрения связи между лавлением и плотностью есть три формы материи: ° сравнительно холодное (нерелятивистское) вещество, не создающее давление, для которого р = О и а = О. Это барионы и темная материя; ° горячая релятивистская материя (релятивистский газ), создающая давление, это излучение (фотоны) и нейтрино, для которых уравнение состояния р/сз = (1/3)р и а = 1/3; ° вакуум (темная энергия), для которого уравнение состояния имеет вид р/с' — р и а - -1.
Если во Вселенной доминирует вакуум, то связь между Я и ! уже не описывается соотношением (!0.7). В этом случае решение уравнения Фридмана дает В ° ехр (х/ГслН1). В табл. 10.3 собраны слелствия, получаюп!неся из уравнения Фридмана, в случае доминирования во Вселенной одной из трех рассмотренных форм материи. Следует отметить, что во Вселенной были периоды, когда доминировал каждый из трех видов материи, приведенных в табл.
10.3. Так, исключая ничтожный (10 "-10 " с) интервал сразу после Большого взрыва, в течение примерно первых 40000 лет во Вселенной доминировали фотоны (так называемая радиационная эра). В дальнейшем доминировало вещество (эра вещества). В настоящее время н в будущем доминирует вакуум. Э 3. Вселенная. Свидеслельсгвво Большого взрыва 443 В соответствии со сказанным, пользуясь табл. 10.3, легко представить, как эволюционировала Вселенная в эти периоды. Проще всего понять зависимость р В з для барионов и хололной темной материи. Эта зависимость — тривиальное следствие того, что концентрация нерелятивистских частиц обратно пропорциональна объему, который они занимают.
Что касается зависимости р В ~ для фотонов, то дополнительный множитель В ' по сравнению с массивными частицами возникает за счет красного смешения. В процессе расширения Вселенной плотность энергии фотонов уменьшается не только за счет уменьшения концентрации (множитель В з), но и за счет уменьшения энергии фотонов (множитель В '). При доминировании во Вселенной вакуума она расширяется экспоненциально, а не инерционно, как в остальных случаях. Это стремительное, с нарастаюшей скоростью расширение называют ин4мяцией или раздуванием. Вселенная уже должна вступить в фазу инфляции, поскольку вакуум в ней стал доминирующей формой материи.
Появились астро- физические данные, подтверждающие ускоренное расширение нынешней Вселенной. Эта стадия инфляции в истории Вселенной, как полагают, является второй. Первая, возможно, возникла практически одновременно с Большим взрывом и характерное время ее длительности всего !О зз с. 1Ьл !Оо Однако за это время размер Вселенной увеличился в !О'ь -1О'о раз. При этом область планковских размеров (10 зз см) выросла до размеров, неизмеримо превосходящих размер нынешней видимой части Вселенной (10за см). После столь сильного расширения пространство становится однородным, а его геометрия неотличимой от геометрии плоского мира, т, е. евклидовой. Практически все первичные неоднородности оказываются далеко за пределами современного горизонта видимости.
Инфляционный «сценарий» позволяет решить ббльшую часть проблем Стандартной модели горячей Вселенной. Несмотря на то, что этап инфляции представляется в настоящее время необходимым элементом эволюции ранней Вселенной, само существование такого этапа еще нуждается в опытном подтверждении. Таким образом, вакуум во Вселенной играет огромную, возможно ключевую, роль. Вакуум, на фоне которого разворачиваются процессы во Вселенной, наделен отрицательным давлением и ответственен за появление гравитационного отталкивания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
