Вселенная1

Крупномасштабная структура

Данные 2df обзора

Крупномасштабное распределение вещества — распределение вещества в пространстве на больши́х масштабах (>1 Мпк). Структура Вселенной на больши́х масштабах должна отражать процесс эволюции Вселенной как единого целого. Существует два метода наблюдения крупномасштабной структуры:

1. Непосредственные измерения пространственных координат (небесных координат и красных смещений) светящихся объектов (главным образом галактик) и статистическая обработка соответствующих наблюдательных данных. Этот метод в настоящее время позволяет исследовать распределение светящегося вещества на масштабах до сотен Мпк.
2. Анализ эффектов гравитационного линзирования, позволяющий изучать структуру скрытой массы, доступной для наблюдения только по проявлениям в гравитационном взаимодействии. Хотя объем данных по гравитационным линзам к настоящему времени не очень велик, этот метод позволяет анализировать распределение скрытой массы на масштабах десятков Мпк.

Первый подход — классический, первым его применил Гершель для исселедования структуры Млечного Пути. Современными аналогами можно назвать спектроскопический обзор 2df (2 degree Field galaxy Redshift Survey), SDSS, обзор APM. Например, в обзоре 2df охват неба составлял ~5 %, среднее z — 0,11 (~500 Мпк), количество объектов — ~220 000.

При переходе к масштабам сотен мегапарсек флуктуации сглаживаются и распределение видимого вещества становится однородным. На рисунке отчетливо видно, что галактики образуют губкообразную клочковатую структуру.

Реликтовое излучение

Реликтовое излучение — чернотельное однородное излучение со средней температурой 2,72 К, заполняющее Вселенную. Считается остатком большого Взрыва. Примечательно двумя вещами:

1. Фактом своего существования
2. Величиной амплитуд флуктуаций и их распределением (амплитудами гармоник) в спектре на масштабах около одного градуса («сахаровские колебания»).

Факт существования крайне нетривиален: если Вселенная существовала вечно, то неясна причина существования реликтового излучения — массовых источников, способных создать такой фон, мы не наблюдаем. Однако если время жизни Вселенной конечно, то очевидно, что причина его возникновения кроется на первых этапах жизни Вселенной.

Факт зависимости температуры реликтового фона от красного смещения проверен по наблюдениям у квазаров с z≈1,8 по линиям сверхтонкой структуры нейтрального углерода, для которых кванты с T≈7,5 К играют роль накачки, обеспечивая заселенность уровней, отличных от самого нижнего.

Эффект Сюняева-Зельдовича

Если фотоны реликтового фона на своем пути встречают горячий газ скоплений галактик, то в ходе рассеивания за счёт обратного эффекта Комптона фотоны будут разогреваться (то есть увеличат частоту), забирая часть энергии у горячих электронов. Наблюдательно это будет проявляться снижением потока реликтового излучения в направлении крупных скоплений галактик в длинноволновой области спектра.

С помощью этого эффекта можно получить информацию о:

• давлении горячего межгалактического газа в скоплении, а возможно и о самой массе скопления;
• скорости скопления вдоль луча зрения (из наблюдений на разных частотах);
• величине постоянной Хаббла H₀, с привлечением наблюдений в гамма-диапазоне.

При достаточном количестве наблюдаемых скоплений можно определить и общую плотность Вселенной Ω.

Преимущество этого эффекта состоит в том, что его природа ясна и никак не зависит от космологического красного смещения.

Энтропия Вселенной

Также по наблюдениям реликтового фона можно определить энтропию Вселенной, она с точностью до численного коэффициента равна отношению концентрации равновесных фотонов n_γ к концентрации барионов n_b.

Выразим n_b через критическую плотность и долю барионов:

$n_b=\frac{\rho_cr}{m_p}=1{,}124\cdot 10^{-5}\Omega_b h^2_{100},$

где $h^2_{100}$ — современное значение Хаббла выраженное в единицах 100 км/(c Мпк), и учитывая, что для реликтового излучения с T=2,73 К

$n_\gamma\approx 420(1+z)^3$ см⁻³,

получаем

$\eta\simeq n_b/n_{\gamma}\approx 2{,}7\cdot 10^{-8}\Omega_b h_{100}^2\sim 10^{-9}.$

Флуктуации реликтового фона

Согласно данным НАСА, полученным с помощью WMAP, возраст Вселенной от момента Большого взрыва был оценён в 13,7 миллиарда лет с погрешностью в один процент. Данная оценка основывается на предположении, что лежащая в её основе модель для анализа данных корректна. Другие методы оценки возраста Вселенной дают другие результаты, в основном согласующикся с данной оценкой.

Теоретические модели

Состав Вселенной по данным WMAP

Современные космологические модели очень сложны и подчас внутренне противоречивы. К примеру, ко Вселенной применяются уравнения ОТО, хотя ОТО — это локальная теория, и её использование в масштабе Вселенной, мягко скажем, приводит к некоторого рода затруднениям (см. альтернативные теории гравитации). Далее, обычно считается, что тёмная материя холодная, то есть увлекает с собой и барионную материю, но при этом считают, что в момент окончания тёмных веков её флуктуации на два порядка больше, чем у барионной, и этот список можно продолжить. Но на данный момент с таким положением дел приходиться мириться, так как лучшего объяснения наблюдательных данных пока не существует.

Сложность же таких моделей в том, что им приходится учитывать ещё очень плохо изученную тёмную энергию и тёмную материю. А многообразие возможных сценариев вынуждает обращаться к неким предположениям, принципам. Сейчас все согласны, что любая модель Вселенной должна удовлетворять так называемому космологическому принципу. Согласно ему в больших пространственных масштабах во Вселенной нет выделенных областей и направлений. Следствием такого принципа является однородность и изотропность материи во Вселенной на больших масштабах (>100 Мпк).

В общем случае для построения модели применяются следующие теории и разделы физики:

1. Равновесная статистическая физика, её основные понятия и принципы, а также теория релятивистского газа.
2. Теория гравитации (обычно ОТО).
3. Некоторые сведения из физики элементарных частиц: список основных частиц, их характеристики, типы взаимодействия, законы сохранения.

Теория Большого взрыва (теория горячей Вселенной)

Эта теория отвечает на вопросы: «Существовала ли Вселенная вечно или она появилась из чего-то? А если была рождена, то как она развивалась в первые секунды своей жизни?» Исторически, существовала и альтернативная теория, так называемая теория холодной Вселенной, но на данный момент веских причин для сомнения в теории Большого Взрыва нет.

В этой теории событие, положившее начало Вселенной, называется Большой Взрыв, оставляя за скобками все вопросы о природе этого взрыва. Важно, что в момент взрыва вся энергия нынешней Вселенной содержалась в маленьком объеме, а значит температура была очень высокой (в отличие от теории холодной Вселенной, где температура вблизи Большого Взрыва низкая). Именно благодаря высокой температуре и плотности появились первые элементарные частицы, которые при дальнейшем увеличении размера Вселенной и ее остывании начали складываться сначала в частицы посложнее, а потом дело дошло и до обычных протонов, нейтронов, позитронов и так далее. По ходу дела оставляя без ответа вопрос: «Почему античастиц оказалась меньше чем частиц?» — и вводя руками условие доминирования частиц над античастицами (по последним данным на миллион античастиц должна была приходиться миллион и одна частица), можно построить теорию о первичном нуклеосинтезе, которая, в целом, неплохо ложится на наблюдаемые данные.

Также довольно хорошо объясняется и реликтовое излучение — это наследие того момента, когда ещё всё вещество было ионизованным и не могло сопротивляться давлению света. Иными словами, реликтовый фон — это остаток «фотосферы Вселенной».

Модель расширяющейся Вселенной

Модель расширяющейся Вселенной описывает и пытается объяснить сам факт расширения. В общем случае игнорируется, когда и почему Вселеннная начала расширяться, то есть теория Большого Взрыва — лишь частный случай модели расширяющейся Вселенной. В основе большинства моделей расширяющейся Вселенной лежит ОТО и её геометрический взгляд на природу гравитации. Изотропно расширяющуюся среду удобно рассматривать в системе координат, расширяющихся вместе с материей. Таким образом, расширение Вселенной формально сводится к изменению масштабного фактора всей координатной сетки, в узлах которой «посажены» галактики. Такую систему координат называют сопутствующей. Начало же отсчета обычно прикрепляют к наблюдателю.

Единой точки зрения, является ли Вселенная действительно бесконечной или конечной в пространстве и объёме, не существует. Тем не менее, наблюдаемая Вселенная, включающая все местоположения, которые могут воздействовать на нас с момента Большого взрыва, конечна, поскольку конечна скорость света и существовал Большой Взрыв. Границей космического светового горизонта в настоящее время является расстояние в 24 Гигапарсека. Действительное расстояние до границы наблюдаемой Вселенной больше благодаря всё увеличивающейся скорости расширения Вселенной и оценивается в 93 миллиарда световых лет.

Судьба Вселенной

В зависимости от средней плотности и свойств материи и энергии во Вселенной, она или будет продолжать вечное расширение, или будет гравитационно замедляться и, в конце концов, схлопнется обратно в себя в Большом сжатии. Данные, имеющиеся в настоящее время, позволяют утверждать, что не только материи и энергии недостаточно, чтобы вызвать сжатие, но и что расширение Вселенной происходит с ускорением. Другие идеи о судьбе Вселенной включают теории Большого разрыва, Большого замерзания и тепловой смерти Вселенной.

Проблемы современных моделей

Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска такой трёхмерной фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.

Во-первых, неизвестно, является ли Вселенная пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах. В настоящее время большинство космологов полагают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к пространственно плоской, с локальными складками, где массивные объекты искажают пространство-время. Это мнение было подтверждено последними данными WMAP, рассматривающими «акустические осцилляции» в температурных отклонениях реликтового излучения.

Во-вторых, неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели Большого Взрыва, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна. Это может быть понято на примере двумерной аналогии: поверхность сферы не имеет границ, но имеет ограниченную площадь, причём кривизна сферы постоянна. Если Вселенная действительно пространственно ограничена, то, двигаясь по прямой линии в любом направлении, можно попасть в отправную точку путешествия.

Космические струны

Космические струны — гипотетические образования, существование которых выводится из некоторых моделей инфляции, чтобы объяснить строение Вселенной. По мнению космофизиков, космические струны — тонкие трубки из симметричного высокоэнергетического вакуума, пересекающие наш мир как паутина из конца в конец. Первая работа о них была написана в 1976 году Т. Кибблом из Имперского колледжа науки и техники в Лондоне. Толщина космических струн ничтожна (примерно 10 в минус тридцатой степени сантиметра), а вес одного такого сантиметра огромен (около 10 в шестнадцатой степени тонн). Если такая струна пересечет человека в поясе, его голова и ноги (по закону Всемирного тяготения) схлопнутся со скоростью 6 километров в секунду. Примерно то же произойдет и с нашей планетой — струна из вакуума мгновенно рассечет ее на части как проволочная яйцерезка. К счастью, ближайшие струны (если они вообще существуют) находятся, как утверждают специалисты, на расстоянии 300 миллионов световых лет от Земли.

Исторические модели

Космология и космогония существуют уже давно. Цивилизации Двуречья и Древний Египет имели своё представление о вселенной. Первые же более или менее научные предположения о структуре Вселенной можно отнести к периоду Древней Греции. Наиболее распространенной была концепция Пифагора-Аристотеля-Птолемея, согласно которой в центре не имеющей начала во времени Вселенной (космоса) находится Земля, по орбитам вокруг которой вращаются планеты, включая Солнце, а на самом краю того, что для них было Вселенной, они помещали звёзды, вращавшиесся точно так же вокруг Земли, как и планеты и Солнце. Учение Демокрита о бесконечности Вселенной и множественности обитаемых миров имело меньшую популярность. За столетия улучшенные наблюдения и теории о силе тяжести, позволили Копернику и Ньютону создать гелиоцентрическую модель Вселенной, что помещала Землю на орбиту вокруг Солнца. Дальнейшее развитие астрономии привело к открытию Млечного пути, других галактик и реликтового излучения. Точные исследования распределения галактик в пространстве и исследование их спектров формируют современную космологию.

Мультивселенная

Согласно некоторым предположениям, наша Вселенная это лишь часть от огромного множества других Вселенных, совокупность которых называется Мультивселенной (Метавселенной). Хаотическая теория инфляции предполагает бесконечное разнообразие Вселенных, каждая из которых имеет различные от других физические константы. В другой теории Вселенные различаются по квантовому измерению. По определению эти предположения нельзя экспериментально проверить.

Другие термины

В историческом плане для обозначения «всего пространства» использовались различные слова, включая эквиваленты и варианты из различных языков, такие как «небесная сфера», «космос», «мир». Использовался также термин «макрокосмос», хотя он предназначен для определения систем большого масштаба, включая их подсистемы и части. Аналогично, микрокосмос используется для обозначения систем малого масштаба в составе гораздо большей системы, частью которой является исходная система. Сейчас как синоним для обозначения наблюдаемой части Вселенной иногда используется слово «Метагалактика».

Страница: 0 , 1

См. также

• Время
• Возраст вселенной
• Мультивселенная
• Ойкумена
• Пространство-время
• Гностицизм
• Логарифмическая шкала времени

Ссылки

• Российская Астрономическая сеть
• Космология