1611143575-f501d09a54839b58ba6706edb8cfab5f (825041), страница 41
Текст из файла (страница 41)
При дальнейшем расширении температура фо274тонов упала до T = 2.7 K. Современная плотность реликтовых фотонов n g 410 шт./см3. Скорость Земли относительно МРИ около370 км/с. Кроме того, что реликтовое излучение является одним изважнейших подтверждений теории Большого взрыва, оно дает уникальные данные о самой ранней истории Вселенной, геометрии и составе Вселенной.
Основной источник информации – это пространственная анизотропия реликтового излучения, открытая в 1992 г. (возникающую за счет движения Земли дипольную температурную анизотропию вычитают), относительная величина которой составляет всегоD T / T 10-5 . Некоторые космологи назвали открытие анизотропииМРИ крупнейшим событием в астрофизике за несколько последнихдесятилетий. В 2006 г. это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике.Наиболее точная температурная карта неба получена на космическом аппарате WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Результаты измерения анизотропии представляют в виде разложения температурной карты неба по угловым гармоникам, которые отражают распределение температурных пятен по угловым размерам.
Результатытрех лет работы WMAP приведены на рис. 97. В распределении имеется четкий пик на угле около 1 углового градуса. Более того, также на-Рис. 97. Угловые корреляции в анизотропии реликтового излучения, полученные в эксперименте WMAP275блюдаются несколько дополнительных пиков на меньших масштабах.Температурные флуктуации связывают с квантовыми флуктуациями наранней стадии Вселенной, которые дошли до стадии рекомбинации какплазменные акустические волны.
Колебания есть результат двух противоборствующих сил: гравитационного притяжения и давления фотонного газа. Изменение температуры связано как с повышенной плотностью, так и с движением вдоль линии наблюдения (эффект Доплера).Положение первого пика оказывается однозначно связано с геометриейВселенной. Данные свидетельствуют, что Вселенная плоская, т.
е. имеет плотность, очень близкую к критической:Wtot = 1 0, 015.(104.13)Это очень важный результат, поэтому интересно качественно понятьего происхождение.Положение первого пика соответствует отношению современногоразмера области, которая была причинно-связанной на момент рекомбинации (пятно с примерно одинаковой температурой) к расстояниюот нас до места образования этих фотонов в настоящее время.
Опускаямножители порядка единицы, размер такого пятна в момент испускания фотонов был равен ~ ctr ( tr = 400 ´ 103 лет) и с тех пор увеличился пропорционально размеру Вселенной (см. (104.2)), т. е. вz + 1 » 1 100 раз. Расстояние от этого пятна до нас примерно равнорасстоянию до горизонта событий ct0 ( t0 15 ⋅ 109 лет – возраст Вселенной). Отсюда получаем угловой размерq (z + 1)tr /t0 0.03 1 .(104.14)Данная оценка соответствует случаю плоской Вселенной (лучи идутпо прямой). При Wtot > 1 (положительная кривизна) угол был быбольше, а для Wtot < 1 (отрицательная кривизна) – меньше.Оказывается также, что высота основного пика и более высокихгармоник очень чувствительна к составу материи, поскольку обычнаяматерия (плазма) хорошо взаимодействует с фотонами и испытываетих давление, а темная материя для них прозрачна.
Происхождения серии пиков можно понять как резонансные гармоники в трубе. Исходновозникли волны разных частот, но при наступлении рекомбинацииволны дальше распространяться не могли и максимальная амплитудаоказалась у волн, для которых в объеме укладывается целое число по276луволн. Из данных по МРИ было найдено, что c точностью 10 % полная плотность материи Wm » 0,27 , а плотность обычной (барионной)материи Wm » 0, 045 .Еще одно интересное явление.
После рекомбинации протонов иэлектронов при температуре около 3 000 К Вселенная была заполненав основном нейтральными атомами водорода и других легких элементов. Кроме этого, было реликтовое излучение, охлаждающееся за счетрасширения. Со временем его спектр сместился в невидимую областьспектра. Не было ни звезд, ни галактик – полная темнота! Это времятак и называют «темной эпохой». Затем материя сгруппировалась нафлуктуациях плотности и зажглись первые Звезды.
Их излучениевновь ионизовало Вселенную. Изучение особенностей микроволновогоизлучения (поляризация, диффузное рассеяние) позволило установить,что повторная ионизация произошла при z 10 и оптическая толщинадля комптоновского рассеяния реликтовых фотонов на свободныхэлектронах составила около 10 %.Крупномасштабная структура, акустический барионный пикИз реликтового излучения мы знаем, что в эпоху рекомбинацииВселенная была очень однородна: sr/r 10-5 .
Сейчас же имеютсязвезды, галактики, скопления галактик, суперскопления, крупномасштабные структуры, так что sr/r 1 . На специальных телескопахбыли проведены измерения 3-мерного пространственного распределения звезд и галактик. В продольном направлении координата определялась по красному смещению. Получаемые распределения плотностиматерии по различным масштабам (размерам флуктуаций) очень чувствительны к параметрам Вселенной и ее составу. Наблюдения сравнивают с моделированием на суперкомпьютерах и таким образом находят параметры Вселенной.Простой вопрос, Что возникло раньше: звезды, галактики или, может, крупномасштабные структуры? Ответ совсем не очевиден. Оказывается, сначала образовались звезды, и это произошло только благодаря большому количеству темной материи, которая начала группироваться еще в радиационно-доминантную эпоху задолго до рекомбинации.
После рекомбинации давление фотонов упало и барионная материя стала группироваться на уже сформировавшихся сгустках темнойматерии.277Рис. 98. Пространственные корреляции на больших расстояниях в распределении галактик во Вселенной, полученные на телескопе SDSSНаиболее детальное 3-мерное распределение галактик получено нателескопе SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Недавно эта группа обнаружила характерный пик в распределении галактик по взаимному расстоянию (рис.
98). Пик соответствует расстоянию примерно500 млн световых лет. Он имеет фундаментальное происхождение, этоакустический барионный пик.Происхождение его следующее. Представим, что в некой точке наранней стадии Вселенной была флуктуация плотности, темной и обычной материи. Флуктуация плотности обычной материи стала распространяться в плазме во все стороны в виде сферической акустическойволны. Темная же материя осталась стоять на месте, поскольку она сфотонами не взаимодействует и потому акустических волн не создает.Впоследствии на месте оставшейся флуктуации темной материи и набарионной волне (после рекомбинации) стала концентрироваться материя, возникли звезды, галактики.
Положение пика соответствует расстоянию, на которое успела убежать акустическая волна до моментарекомбинации, а затем это расстояние было увеличенно последующимрасширением Вселенной. Естественно, во Вселенной была не одна такая исходная флуктуация, но для любой из них расстояние между ба278рионной волной и оставшейся наместе темной материей одно ито же. Из этой физики ясно, чтоположение пика несет важнуюинформацию о динамике Вселенной и очень чувствительно кее составу.На рис.
99 показана подгонкакосмологическихпараметровWm (плотность материи) и WLРис. 99. Результаты измерения параметровWmиWLв экспериментах SNLS(Сверхновые) и SDSS (по барионномуакустическому пику, BAO)(плотность вакуума) по результатам эксперимента SNLS посверхновым и экспериментаSDSS по измерению положенияакустического барионного пика.Как видно, они пересекаютсякак раз на прямой соответствующей плоской Вселенной, т.
е.в полном согласии с измерениями анизотропии реликтового излучения. Все это подтверждаетдостоверность открытия ускоренного расширения Вселеннойи ее необычного состава.Космологический нуклеосинтезКоличество барионной материи во Вселенной можно также определить по относительной доле легких элементов. Этот метод давно известен и был использован раньше других. Когда температура упала настолько, что нейтроны перестали рождаться, их количество сталоуменьшаться из-за распадов свободных нейтронов. Не распались только те, которые успели соединиться с протонами и образовать атомныеядра. Количество образованных легких элементов зависит от плотности и скорости падения плотности в ту эпоху. Наиболее чувствительным к этим эффектам оказался дейтерий, концентрация которого быланайдена по поглощению света в газовых облаках при больших z.
Найденная таким образом плотность барионов составила около 4 % от критической плотности. Результат, полученный с помощью реликтовогоизлучения хорошо согласуется с этой цифрой.279Гравитационное линзированиеЕсли объект не светится, то его не видно. Однако его можно увидетьпо гравитационному отклонению света от источника, находящегося налинии наблюдения позади темного тела. Этот эффект предсказал ещеА. Эйнштейн. В результате гравитации появляются дополнительныеизображения источника – кольца, дуги или просто временное увеличение яркости. Этот метод сейчас взят на вооружение и дает уникальнуюинформацию.Один пример: определение плотности темной материи по кластерамгалактик.
Изучая характеристики кластеров галактик, удается определитьих полную массу и массу барионной материи. Барионная масса следует изнаблюдаемого рентгеновского излучения горячей плазмы. Полная массахорошо определяется по гравитационному линзированию. Для 50 проверенных кластеров отношение полной и барионной масс M m /Mb 8 .Считая это отношение в кластерах и Вселенной равными и используяплотность барионной материи из нуклеосинтеза, получаем W m 0, 3 , чтонаходится в согласии с аналогичными результатами, полученными повспышкам сверхновых и анизотропии реликтового излучения.Темная материяМы уже несколько раз упомянули темную материю. Что же это такое и откуда возникает уверенность в ее существовании?Еще в 1937 г.
астрономы обратили внимание, что звезды в спиральных галактиках движутся не так, как положено по законам гравитациидля наблюдаемого распределения светящейся материи. Если верить взакон Ньютона, то нужно добавить еще в несколько раз большую массу с определенным распределением плотности. Существенный недостаток массы наблюдается и в нашей Галактике. Сейчас можно твердосказать, что это не барионная материя. В районе Земли плотность таких частиц около 0, 3 ГэВ/см3. Если их масса равна 50 ГэВ/ c 2 , то получается примерно одна такая частица на чашку кофе.
Но реально мы пока ничего не знаем о их массах. Скорость их движения соответствуетхарактерным скоростям в Галактике, т. е. несколько сот км/с.Данные по расширению Вселенной, микроволновому излучению,кластерам и др. также подтверждают, что темной материи раз в 6–8 разбольше обычной материи. То, что темная материя концентрируется вгалактиках и других структурах, говорит о том, что это какие-то нерелятивистские частицы. Реликтовые нейтрино для этого явно не подхо-280дят. Наиболее популярной является гипотеза, что темная материя – этослабо взаимодействующие c обычной материей тяжелые суперсимметричные частицы, образовавшиеся, когда температура во Вселеннойбыла достаточной для их рождения.Сейчас предпринимаются попытки зарегистрировать такие частицыспециальными детекторами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
