книги из ГПНТБ / Шама Д.В. Современная космология

170 ГЛАВА 8

удивительного, что вещество было некогда в одном месте в один момент времени. В противоположность этому в неоднородной Вселенной никакой сингулярности суще­ ствовать не может. Этот аргумент некорректен. Эллис, Хокинс и Пенроуз показали, что, коль скоро вещество во Вселенной подчиняется физически возможному урав ­ нению состояния, то, согласно общей теории относитель­ ности, в прошлом должны возникнуть одна или больше физических сингулярностей. Основная причина этого

неоднородном мире некоторая часть вещества д о л ж н а сжаться до бесконечной плотности. Возможно, квантовомеханическое рассмотрение позволит избежать столь буквального понимания сингулярности, но оно не смо­ жет предотвратить появление очень больших плотностей, скажем 105 9 г/см3 , которые соответствуют радиусу кри­ визны Ю - 2 6 см. Д л я практических целей такую плот­ ность можно вполне считать соответствующей сингу­ лярности.

Б ы л о выполнено немало работ с целью подробно ис­ следовать природу сингулярностей в неоднородной Все­ ленной. Имеются указания на то, что сингулярности д о л ж н ы быть четко отделены одна от другой и большая часть вещества во Вселенной на самом деле не прошла через стадию сингулярности. Если это так, то может возникнуть теоретическая возможность «отзвука» от предшествующей стадии сжатия . Вопрос о том, появи­ лась ли реальная Вселенная в результате такого «от­ звука», является по многим причинам заманчивым для космологии, но т а к ж е и одним из наиболее трудных.

Г Л А В А 9

П О И С К И М Е Ж Г А Л А К Т И Ч Е С К О Г О Н Е Й Т Р А Л Ь Н О Г О В О Д О Р О Д А

Введение

В гл. 8 мы видели, что из всех релятивистских моде­ лей Вселенной особую роль играет модель Эйнштейна — де Ситтера, в которой имеет место соотношение

• ^ G p t 2 = l .

Полученные из наблюдений величины Ö й t дают для этой модели, что в современную эпоху

р ~ 2 • 10~ 2 9 г/см 3 .

Если допустить, что основную долю вещества составляет водород, то мы получим для концентрации частиц в со­ временную эпоху

/ г н ~ 1 0 _ 5 с м _ 3 >

Однако вещество, доступное в настоящее время наблю­ дениям, а именно вещество в галактиках, дает для кон­ центрации частиц значение всего лишь

энергию. Очевидно, представляло бы большой интерес узнать, какое значение концентрации частиц ближе к истине, и на решение этого вопроса было затрачено много усилий. Возможно, существует большое число слабых галактик, вклад которых в Пц не учтен в приве­ денной выше оценке, но обычно такую возможность не

172ГЛАВА я

принимали в расчет. Внимание в основном было со­ средоточено на возможном содержимом межгалактиче ­ ского пространства.

которого от 10 до 30 раз больше, чем вещества в самих галактиках скопления. Такое вещество пока еще не об­

вполне может находиться в форме, исключавшей до на­ стоящего времени его обнаружение, например пред­ ставлять собой ионизованный водород с температурой 106 К- Далее если межгалактическое вещество и суще­

твердых частиц, нейтрино или гравитационных волн. В этой книге мы ограничимся возможностью, что «недо­ стающая материя», если и существует, то в форме газа. Преимущество такой точки зрения в том, что она со­ храняет связь с астрофизическими проблемами образо­ вания и развития галактик и скоплений галактик. Это

галактик, то, вероятно, межгалактический газ содержит

ние образовались. Этот вопрос будет рассмотрен в гл. 11. Результаты можно кратко сформулировать, сказав, что, по

пренебрежимо малую, часть. Пока еще не найдено спо­ соба обнаружить гелий, однако его присутствие в меж­ галактическом газе должно оказывать сильное влияние на скорость охлаждения последнего. С другой стороны, концентрация атомов водорода порядка Ю - 5 с м - 3 порож­ дает потенциально обнаружимые эффекты, и именно их мы и будем в основном рассматривать в дальнейшем .

Межгалактический атомарный водород как излучал, так и поглощал бы в линии 21 см. В 1958 г. Филдс впер­ вые предпринял поиски поглощения. Он изучал спектр

бы только в очень узкой области длин волн, необходимо учитывать красное смещение, связанное с расширением Вселенной. Очевидно, водород вблизи нас будет погло­ щать на длине волны 21 см, однако поглощение водо­ родом около Лебедя А д о л ж н о наблюдаться на длине волны 21 (z + 1) см, где z — красное смещение Лебедя А'. На промежуточных частотах возникнет поглощение от во­ дорода, расположенного на луче зрения между нами и Лебедем А, и поэтому следует ожидать появления по­ лосы поглощения, которая тянется от 21 до 21(1 + г ) с м , - Отрицательный результат поиска такой полосы с опре­ деленной степенью точности д а л бы нам, конечно, верх­

водорода в линии 21 см является более тонким, чем в

174ГЛАВА О

ме ж ду которыми ответствен за излучение в линии 21 см, очень мала (что и приводит к очень большой для атом­ ного излучения или поглощения длине волны) . Эта раз­ ность энергий составляет лишь 5-10— 6 эВ . Полезно выразить эту энергию через температуру при помощи со­

Таким образом, водород как бы погружен в горячую

дает прямо концентрацию /гц атомарного водорода, как это было бы, если бы в основном состоянии находилось большинство атомов и вынужденное излучение было бы

которая является мерой относительного числа атомов в двух состояниях. Филду не удалось обнаружить полосу поглощения вплоть до

- ^ - < 4 - 1 0 - 7 ( с м 3 - К Г ' .

Более поздние наблюдения Филда снизили этот предел в 3 раза, а самые точные на сегодняшний день наблюде­ ния Пензиаса и Скотта дают

^ - < 2 , 3 - 1 0 - 8 ( с м 3 - К Г ' -

1 s

*) Для простоты мы пренебрегаем вырождением верхнего со­ стояния.

спиновую температуру Ts. Если бы она определялась

ным результатом. Однако в Ts дает вклад ряд сложных процессов. Самый важный из них такой. Атом водорода, находясь на одном из уровней 21 см, поглощает излуче­ ние в линии L a (см. стр. 177). Затем атом сам излучает квант в линии La, но при этом он переходит на другой

тат, как и раньше. Правда, если межгалактический газ

концентрация атомарного водорода, по-видимому, не­ сколько меньше критического значения Ю - 5 с м - 3 . Учи­ тывая неопределенность в значении постоянной Хаббла (а следовательно, и в значении критической плотности), которой обладают наблюдения, нет оснований совер­

легче. Его интенсивность зависит от числа атомов в верхнем состоянии, которое обычно чувствительно к спи­ новой температуре. Однако в нашем случае спиновая температура столь высока, что, как мы видели, число возбужденных и невозбужденных атомов можно считать одинаковым. Следовательно, наблюдаемая интенсив­ ность излучения слабо зависит от спиновой температуры и дает нам непосредственно Пи (коль скоро спиновая

накладывается излучение многих других источников в непрерывном спектре, наблюдатели ищут ступеньку на длине волны 21 см, где начинается излучение м е ж г а л а к ­ тического газа. Ступенька не обнаружена в пределах точности наблюдений, что, согласно оценке Пензиаса и Уилсона, приводит к пц < 3-10~6 с м - 3 , которая с учетом

176 ГЛАВА 9

неопределенности постоянной Хаббла едва ли позволяет исключить модель Эйнштейна — де Ситтера на основа­ нии данных об атомарном водороде.

П о г л о щ е н ие рентгеновских лучей

Как стало известно с 1962 г., на Землю падает при­ мерно изотропный поток рентгеновских лучей. Этот фон

Х-1. Интенсивность фона измерена теперь на нескольких длинах волн; его спектр показан на рис. 22. Происхож­ дение фона в настоящий момент не известно, хотя обще­ принято, что большая его часть внегалактическая. П о з ж е мы коснемся некоторых из предложенных для его объяснения механизмов (стр. 237). Если самое длинно­ волновое рентгеновское излучение (самые низкие энер­ гии) приходит со всей Вселенной в целом, как это сле­ дует из некоторых механизмов, то возможность погло­ щения рентгеновских лучей межгалактическим газом становится важной.

Поглощение происходит, когда рентгеновский фотон ионизует атом водорода или гелия. Оторванный при ионизации электрон может затем снова рекомбинировать с протоном или а-частицей, образовав другой атом водо­ рода или гелия. Более вероятно, что при рекомбинации электрон попадет не на основной уровень, а на один из возбужденных; тогда атом перейдет в основное состоя­ ние, совершив много переходов между промежуточными уровнями, при каждом из которых будут излучаться фотоны меньших энергий, чем первоначальный рентге­ новский квант. Такой процесс представляет собой случай истинного поглощения, при котором уменьшается число фотонов первоначальной энергии. Напротив, «поглоще­ ние» в линии 21 см в действительности является рас­

менит первоначальную траекторию. Таким образом, рас­ сеяние излучения в линии 21 см не существенно, если наблюдать диффузный фон, но для дискретного источ­

эффект, что и истинное поглощение, т. е. уменьшение интенсивности источника.

Фотон, который еще может ионизировать атом водо­ рода, находящийся в основном состоянии, имеет длину

наблюдать поглощение будет наибольшей для самого длинноволнового рентгеновского излучения.

Спектр на рис. 22 не показывает заметных признаков поглощения вплоть до самых длинных волн, которые на­ блюдались (около 50 А) . Если это излучение приходит к нам от Вселенной в целом, то мы можем дать следую­

по эффектам на 21 см, однако оно зависит от произволь­ ного допущения, что рентгеновское излучение с длиной волны 50 А приходит от Вселенной в целом (см. стр. 187).

П о г л о щ е н ие в линии L a

Проведенное нами до сих пор рассмотрение показало, что наиболее мощным методом обнаружения поглоще­ ния межгалактического нейтрального водорода было бы наблюдение на такой длине волны К, которая является характерной для процесса поглощения в атоме водорода. Такое резонансное условие гарантировало бы, что по­ глощение максимально. Было бы т а к ж е благоприятно,

178 ГЛАВА а

если бы большинство атомов находилось на низшем из рассматриваемых подуровней, так что не было бы ослабления поглощения из-за вынужденного излучения. Поскольку большинство атомов межгалактического во­ дорода находится в основном состоянии (не считая сверх­ тонкого расщепления), то эти переходы должны быть переходами с основного состояния, т. е. серией Лай -

ность очень велика не только в Галактике, но и в земной атмосфере.

Недавно эту проблему остроумно решили Шейер и Ганн и Престон. Они воспользовались большим красным смещением (z œ 2) некоторых квазаров, приняв, что оно имеет космологическую природу. Можно ожидать, что будет наблюдаться полоса поглощения La, простираю­

На практике наблюдатели ищут депрессию в непрерыв­

% < 1 0 " 1 2 с м _ 3 .