56. Метагалактика. Пространственное распределение галактик. Местная группа галактик. Скопления и Сверхскопления галактик. Великий аттрактор. Крупномасштабнаяструктура Вселенной.

Метагалактика ― совокупность галактик, частью которой является всё множество (около 1 млрд.) галактик, доступных современным телескопам. • Лишь немногие галактики существуют отдельно от остальных.

Местная группа галактик– гравитационно-связанная группа галактик, включающая галактики Млечный Путь и Туманность Андромеды. Поперечник Местной группы около 1 Мпк. В местную группу входит более 50 галактик. Центр масс местной группы находится примерно на линии, соединяющей Млечный Путь и Галактику Андромеды. Местную группу можно разделить на несколько подгрупп галактик: Группа Млечного Пути состоит спиральной галактики Млечный Путь и 14 её известных карликовых, в основном неправильных галактик-спутников. Группа Туманности Андромеды весьма похожа на группу Млечного Пути: в центре группы находится М31 — гигантская спиральная галактика. Её 18 известных спутников тоже являются, в основном, карликовыми галактиками. Группа галактик Треугольника, а также другие карликовые галактики, которые нельзя определить в одну из указанных групп.

Местное сверхскопление галактик

Местная группа галактик является частью Местного сверхскопления (Сверхскопления Девы). Сверхскопление Девы —система галактик размером около 200 млн. св. лет, включающая Местную группу галактик. Всего в состав Местного сверхскопления входят 100 групп и скоплений галактик (с доминирующим скоплением Девы в центре) и около 30 тыс. галактик.

• Масса Сверхскопления составляет 10¹⁵ масс Солнца. Поскольку его светимость слишком мала для такого количества звёзд, считается, что на бо́льшую часть массы сверхскопления приходится масса тёмной материи. Сверхскопление Девы притягивается к гравитационной аномалиипод названием Великий аттрактор.

Великий аттрактор – гравитационная аномалия, расположенная на расстоянии около 65 Мпк в созвездии Наугольника. Местрое сверхскопление галактик нахидится в зоне гравитационного воздействия Великого аттрактора. Масса Великого аттрактора около 5*10¹⁶масс солнца, но масса видимого вещества меньше таковой больше, чем в 10 раз. Считается, что основную массу занимает тёмная материя.

Крупномасштабная структура Вселенной— структура распределения материи на самых больших наблюдаемых масштабах.Звёзды группируются в звёздные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Галактики обьединяются в скопления галактик и сверхскопления галактик. Казалось, эта последовательность может быть бесконечной, однакобыло выяснено, что на масштабах порядка 300 мега-парсек Вселенная практически однородна. По современным представлениям, Вселенная представляет собой совокупность довольно плоских «листов», разделённых областями, в которых практически нет светящейся материи

57. Понятие о космологии. Гравитационный и фотометрический парадоксы. Космологический принцип. Основные положения общей теории относительности. Гравитационное красное смещение. Гравитационное линзирование. Гравитационные волны.

Космология занимается изучением физических свойств и эволюции Вселенной как целого

Гравитационный парадокс имеет менее очевидный характер и состоит в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не даёт какого-либо разумного ответа на вопрос о гравитационном поле, создаваемом бесконечной системой масс (если только не делать очень специальных предположений о характере пространственного распределения этих масс).

Фотометрический парадокс состоит в том, что классическая физика затрудняется объяснить, почему ночью темно: если повсюду в бесконечном пространстве стационарной Вселенной (или хотя бы в достаточно большой её области) имеются излучающие звёзды, то в любом направлении на луче зрения должна оказаться какая-нибудь звезда и вся поверхность неба должна яркой, наподобие поверхности Солнца. Это противоречие с тем, что наблюдается в действительности, и называлось фотометрическим парадоксом. Парадокс решается при учёте одного из следующих факторов: Вселенная не бесконечно древняя; Вселенная пространственно ограничена и не замкнута; Свет поглощается облаками межзвёздной пыли, чёрными дырами; Конечность скорости света.

Космологический принцип

Современные космологические модели основаны на принципах общей теории относительности,дополненных космологическим принципом: для расширяющейся Вселенной, Вселенная однородна и изотропна в каждый момент времени, прошедший после Большого Взрыва. Наша Галактика не является избранной, центральной во Вселенной, точно так же, как не являются избранными другие галактики. Однородная и изотропная Вселенная не может находиться в стационарном состоянии, из-за наличия сил тяготения, т. е. Такая Вселенная должна или сжиматься или расширяться.

Однородный шар массы M = Vρ = (4/3)πr3ρ под действием силы гравитации будет сжиматься к центру с ускорением: ;

Даже если бы в начальный момент времени некоторая галактикаАбыла неподвижной, то она стала бы двигаться внутрь шара. В настоящее время Вселенная расширяется, при этом в силу космологического принципа каждая точка пространства Вселенной удаляется от всех остальных её точек.

Основные положения ОТО.

1)Принцип эквивалентности сил инерции и сил гравитации. (Этот факт можно считать доказанным.Эффекты гравитации и ускорения движения частиц – неразличимы). 2)Гравитационное взаимодействие распространяется с конечной скоростью, равной скорости света с в виде гравитационных волн.

Гравитационное красное смещение

Гравитационное красное смещение (эффект Эйнштейна) является проявлением эффекта изменения частоты электромагнитного излучения по мере удаления от массивных объектов, таких как звёзды и чёрные дыры.

Гравитационное красное смещение в спектре испускания сферического тела на расстоянии r >r_g:

Гравитационное линзирование

Гравитационная линза – массивный объект, искривляющий своим гравитационным полем направление распространения излучения. В результате этого возникают изображения-«духи» или «призраки», причём яркость «призраков» может быть много больше яркости самого линзируемого объекта.В качестве источника гравитационной линзы может выступать как светящийся массивный объект, так и тёмный.

Гравитацио́нная волна́— возмущениегравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени, распространяющаяся соскоростью света.Гравитационные волны предсказываютсяОТО и многими другими теориями гравитации, но ввиду их чрезвычайной малости пока не зарегистрированы напрямую.

58. Уравнения общей теории относительности. Космологические модели. Масштабный фактор. Космологическое красное смещение. Закон Хаббла. Параметр Хаббла. Критическая плотность Вселенной. Космологическая постоянная.

УравненияОТО

К осмологические модели, описывающие состояние и эволюцию Вселенной,основаны на решении уравнений тяготения Эйнштейна:

gμν – метрический тензор; R = Rνρgνρ – скалярная кривизна (след тензора Риччи); Tμν – тензор энергии-импульса материи; μ, ν = 0, 1, 2, 3, где x1, x2, x3 – произвольные пространственные координаты,x0 = ct – временная координата.Компоненты метрического тензора gμν определяют квадрат четырёхмерного«расстояния» в пространстве-времени (интервала) ds между двумябесконечно близкими событиями: ds2 g dxμdxνВ сферической системе координат интервал имеет вид:

Параметр k определяет кривизну пространства (–1, 0, +1).Тензор энергии-импульса в приближении идеальной жидкости:

г де uν—4-вектор скорости жидкости; p—давление жидкости;

ρ— плотность энергии (материи).

Уравнения Эйнштейна – это система нелинейныхдифференциальных уравнений в частных производныхотносительно метрического тензора.Зная gμν как функции четырёх координат, можноопределить все геометрические свойства пространства-времени.С помощью метрического тензора вычисляется темптечения времени в различных точках системы отсчёта ирасстояния между точками в трёхмерном пространстве. Уравнения тяготения Эйнштейна связывают компонентыметрического тензора gμν с величинами,характеризующими материю, создающую поле:плотностью, потоками импульса и т.п. При ограничениях, накладываемых космологическим принципом,уравнения Эйнштейна сводятся к уравнениям Фридмана относительномасштабного фактора:

Т.к. , то после деления второго уравнения на H2:

Величина называется параметром плотности. При Ω < 1 кривизна пространства отрицательна (k = –1 м–2). При Ω > 1 кривизна пространства положительна (k = +1 м–2).При Ω = 1 кривизна пространства равна нулю (k = 0). Значение плотности энергии, при котором Ω = 1 называется критическойплотностью:

Критическая плотность Вселенной

Выводы из теории Фридмана относительно будущего существенно зависят от соотношения между сегодняшними значениями постоянной Хаббла и средней плотности вещества во Вселенной. Существует определённая критическая величина плотности, которая и будет определять дальнейший сценарий эволюции. Эта плотность определяется величиной скорости убегания uII (второй космической скорости) с поверхности однородного шара:

Если при этом исходная скорость объекта (галактики) v = uII, то на бесконечности эта скорость стремится к нулю, а если v >uII, то — к некоторой ненулевой величине.

Космологические модели

Сценарий будущего и параметры Вселенной при ρ < ρ_cЕсли фактическая плотность меньше критического значения ρс: ρ < ρc (т. е. v >uII),то тяготение не сможет остановить расширение.Хотя расширение и будет замедляться, но оно не сменится сжатием.При этом пространство бесконечно, а при однородной плотности бесконечно и общее количествовещества во Вселенной. Геометрия пространства неевклидова, а кривизна отрицательна.Сценарий будущего и параметры Вселенной при ρ = ρ_cПри средней плотности, равной критической ρ = ρc (т. е. v = uII), скорость расширения стремится к нулю (происходит замедление расширения), кривизна пространства равна нулю, ипространство в среднем обладает евклидовой геометрией.Сценарий будущего и параметры Вселенной при ρ > ρ_cЕсли же плотность больше критической ρс: ρ > ρc (т. е. v <uII), то притяжение велико инаблюдаемое в настоящее время расширение должно в будущем смениться остановкой и сжатием. В этом случае Вселенная представляет собой замкнутое, но неограниченное трёхмерноепространство. Его объём в каждый момент конечен, количество вещества во всей Вселенной имеетвполне определённое значение, не изменяющееся с течением времени. Геометрия пространства неевклидова, а кривизна положительна.

Масштабный фактор

Масштабный фактор показывает, как с течением времени изменяется расстояние между фиксированными частицами в деформирующейся Вселенной, т.е. изменение масштабного фактора с течением времени описывает расширение или сжатие пространства.Для изотропного расширения Вселенной масштабный фактор определяется из уравнения: ; где H(t) – «постоянная» Хаббла.

При u <<c космологическое красное смещение сводится к доплеровскому, а при u = 0 – к гравитационному. Конкретный вид функции R(t) определяется уравнениями гравитационного поля ОТО. Форма функции R(t) зависит от средней плотности вещества во Вселенной.

Космологическое красное смещение

Космологическое красное смещение — наблюдаемое для всех далёких источников уменьшение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, то есть о расширении Вселенной.Для нестационарной изотропной и однородной Вселенной величина космологического красного смещения определяется масштабным фактором R(t) пространства в моменты испускания (te) ирегистрации (to) излучения:

В спектрах галактик зарегистрированы значения zc ≈ 3, в спектрах квазаров zc ≈ 4,5. В последние годы обнаружены квазары zc ≈ 7 и галактики с zc > 8.Чем больше космологическое красное смещение, тем «дальше» во времени (т.е. «старше» по сравнению с нами) является источник.

Закон Хаббла- закон всеобщего разбегания галактик, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя.

• Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от наблюдателя галактика, тем быстрее она удаляется:

где Н0 – постоянная Хаббла в современную эпоху.

Кроме космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики обладают также собственными (пекулярными) скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений галактик — более 1 000 км/с).Наличие у галактик собственных скоростей приводит к тому, что закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10–15 млн. св. лет, т.е. как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.

59. Модель горячей Вселенной. Основные этапы эволюции Вселенной. Большой взрыв. Космическая нифляция. Зарядовая асимметрия. Электрослабая эпоха. Эпохи кварков, адронов, лептонов. Эпоха излучения, нуклеосинтез. Рекомбинация водорода и реликтовое излучение. «Темные века». Реионизация водорода и образование структуры Вселенной.

Модель горячей Вселенной.Основные этапы эволюции Вселенной.Большой взрыв

По современным представлениям, Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд. лет назад из некоторогоначального горячего состояния с температурой более K и плотностью более г/см3, и с тех пор непрерывно расширяется иохлаждается. Ранняя Вселенная представляла собой ввысокой степени однородную и изотропную среду с необычайновысокой плотностью энергии, температурой и давлением. Врезультате расширения и охлаждения во Вселенной произошлифазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, носо стороныэлементарных частиц. Начало расширения Вселенной - Большим взрывом.В течение – с после Большого взрыва - эпоха Великогообъединения, происходит отделение гравитационноговзаимодействия от остальных фундаментальных взаимодействий.

Космическая инфляция -экспоненциальноерасширение Вселенной в период времени с – с. При температуре K и плотности г/см3 в веществевозникает отрицательное давление, и гравитацияприводит не к притяжению, а к взаимномуотталкиванию частиц.

Зарядовая (барионная) асимметрия После завершения стадии инфляции начинается процессзарождения элементарных частиц и их непрерывноговзаимопревращения. На этом этапе кварки и глюоны объединилисьв барионы. При этом одновременнопроисходило асимметричное образование как частиц материи, так иантиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь визлучение.Однако, благодаря едва заметной зарядовой асимметрии (отличия количествачастиц и античастиц) Вселенная не оказалась лишённойвещества. На каждые миллиард частиц антиматерий приходилось миллиард и одна частица материи.Электрослабая эпоха ( – с) Вещество Вселеннойпредставляет собойкварк-глюонную плазмуЭпоха кварков ( – с)Все четыре вида взаимодействий отделены друг от друга. Кварки ещё не объединяются вадроны.Эпоха адронов ( – 1 с) Кварки объединяются в адроны, в том числе в барионы – протоныи нейтроны. Аннигиляция барионов и антибарионов. Адроннаяэпоха завершается при температуре 3* К и плотности г/см3.Эпоха лептонов (1 – 10 с) Вселенная состоит в основном из положительных иотрицательных мюонов, нейтрино и антинейтрино, позитронов иэлектронов, а нуклоны сравнительно редки. По мере расширения Вселенной происходитаннигиляция мюонов, а также электронов и позитронов.Когда плотность Вселенной уменьшается до г/см3, веществостановится прозрачным для нейтрино. В настоящее время тепловые энергии таких реликтовыхнейтрино значительно уменьшились и стали соответствоватьтемпературе около 2 К.Через 10 с после Большого взрыва температура вселенной падает до К. Начитаетсяэпоха излучения.(10 с – 380000 лет) Преобладают фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом, и нейтрино. Приблизительно через 100 с после Большого взрыва начинаются первые процессы нуклеосинтеза – синтеза нуклонов. Некоторая часть протов успевает соединиться с нейтронами и образовать ядра гелия. Спустя 70 000 лет вещество начинает доминировать над излучением, что приводит к тому, что расширение Вселенной стало проходить по-другому. В конце эпохи излучения происходит рекомбинация водорода и Вселенная становится прозрачной для фотонов. Начинается эпоха вещества. Через 150 млн. лет после Болшого взрыва начинается формирование первых звёзд. Промежуток времени между 380000 лет и 150 млн. лет, когда вселенная уже является прозрачной для фотонов, но реионизация водорода еще не произошла, и звёзды не формируются, называется «тёмные века»