1611143688-95d5594d2be0e95e89d686a35c61b15f (825053), страница 43
Текст из файла (страница 43)
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 подхо280дят. 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. Наиболее чувствительный из них – полупроводниковый детектор при криогенных температурах – регистрируеткак ионизацию, так и звуковые фононы (по разрыву куперовских пар).Это позволяет подавить фоны от фотонов и заряженных частиц.
Получено, что сечение взаимодействия меньше, чем 10-43 см2. Планируетсяувеличить массу детектора и понизить предел в 1000 раз. Ведутся также эксперименты с детекторами других типов.В результате рассеяния (очень редкого) на обычной материи частицы темной материи скапливаются в центре Земли, Солнца, Галактики.Там за счет высокой плотности они могут сталкиваться друг с другом,аннигилировать и рождать высокоэнергичные нейтрино, которые можно зарегистрировать.
Такие эксперименты уже ведутся. Готовится также спутниковый эксперимент по регистрации монохроматичных аннигиляционных фотонов, образованных вблизи поверхности Солнца.Есть шансы, что частицы темной материи будут зарегистрированы вближайшие 5–10 лет. Сюрпризы не исключены. Однако в любом случае для того чтобы понять их природу, будет необходимо изучить этичастицы (все семейство) на ускорителях.Состав ВселеннойИтак, установлено, что плотность Вселенной с высокой точностьюравна критической (плоская Вселенная), ее состав приведен в табл.
8.Что за темные субстанции составляют 95 % плотности Вселенной, мыне знаем. Природа бросила дерзкий вызов физикам!Таблица 8Состав Вселенной в единицах критической плотностиВидТемная энергияДоля0,7Темная материя0,25Свободный H и He0,04Звезды0,005Нейтрино<0,015281§ 105.
Заключительные замечанияОдной из привлекательных теорий Большого взрыва является инфляционная модель. Вселенная, вероятно, уже проходила фазу вакуумно-подобного состояния ( P = -rc 2 ) при t » 10-43 - 10-30 с, и ееразмер экспоненциально возрастал как a(t ) l p exp(Ht ) , где Ht > 70 .Это объясняет однородность видимой Вселенной, плотность, равнуюкритической, спектр флуктуаций, анизотропию реликтового излучения. Одинаковая температура всего неба в рамках инфляционной модели объясняется следующим образом. Даже если вначале температуры в разных точках Вселенной были различные (ввиду их причиннойнесвязанности), то в результате инфляции пространство растянулосьтак быстро, что внутри горизонта событий осталась только область, всеточки которой ранее находились в тепловом контакте. Плоскостностьже следует из того, что если даже мы живем на замкнутой сфере, то врезультате инфляции видим только маленькую область, которая сбольшой точностью плоская.Откуда возникает в настоящее время плотность вакуума? Из физикимы знаем о нулевых колебаниях электромагнитного поля.
Однако легко проверить, что насчитываемая таким образом плотность энергиипревышает наблюдаемую плотность в 10120 раз! Привлечение SUSY(теория суперсимметрии, которую пока не подтверждена) уменьшаетрасхождение до 1055 раз (бозоны и фермионы дают в энергию вакуумапротивоположные вклады). Это тоже не проходит. Пока разумных объяснений нет.Другая загадка: почему плотность вакуума ненулевая и примерноравна плотности материи в настоящее время? За время эволюции плотность материи во Вселенной уменьшилась более чем на 100 порядков,и такое случайное совпадение кажется очень подозрительным. Возможно, оно имеет простое объяснение.Мы попытались рассказать о ситуации в физике элементарных частиц и космологии. Эти две области науки объединились для решенияглавного вопроса: как возникла и устроена Вселенная. Совсем недавнов космологии были сделаны великие открытия: доминирование во Вселенной темной энергии и материи.
Пока они являются скорее великими загадками, но тем и интересней будет найти ответы!282Учебное изданиеТельнов Валерий ИвановичМеханика и теория относительностиУчебное пособиеРедактор Д. И. КовалеваПодписано в печатьФормат 70 x100 1/16, Уч.-изд. л. 17,9. Усл. печ. л. 23,1.Тираж 250 экз. Заказ №Редакционно-издательский центр НГУ630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2283.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
