Эволюция Вселенной

Зависимость поведения Вселенной в будущем от средней плотности вещества ρ в ней можно получить на

основе законов механики Ньютона. Рассмотрим сферическую область Вселенной. Тогда масса вещества, заключенного в объеме радиуса R, определяется

соотношением

m = 43 πR3ρ.

Гравитационный потенциал на поверхности сферы

ϕ = −GRm = −4Gπ3 R2 ρ.

Скорость расширения на поверхности сферы на основе

закона Хаббла

V = H R.

Кинетическая энергия T единицы массы на поверхности

T =V 2 = H 2 R2 .

2 2

Характер эволюции области зависит от отношения потенциальной энергии и кинетической.

ρкритич = 3πH 2 =5 10−30 г/см3 ,

8 G

если H =50 км/с Мпарсек.

Если Ω≤1, Вселенная будет расширяться всегда. Если Ω >1, расширение Вселенной сменится сжатием.

ИзотропнаяВселенная

Согласно фридмановской модели Вселенная одинакова в каждой точке и во всех направлениях.

Первая модель расширяющейся Вселенной была предложена А.А. Фридманом до открытия Хаббла. Очевидно, что для ближайших к нам окрестностей Вселенной это не очень подходит. В ней отчетливо проявляются неоднородности — Земля, Солнце, Галактики, скопления Галактик… Наблюдение реликтового излучения говорит о его высшей степени однородности и изотропности.

Теоремавириала

Тело массы m вращается по круговой

стационарной орбите вокруг центрального массивного тела M ( M m ). В этом случае скорость движения v определяется из условия

равенства по абсолютной величине центробежной

т.е кинетическая энергия по модулю равна половине гравитационной энергии

Eкин = 12 Eгр .

Это соотношение справедливо для любой системы, состоящей из произвольного числа частиц, связанных потенциалом ϕ ~ 1/ r .

Если известны размеры скопления R и скорость вращения скопления v, то из соотношения

(2) можно оценить так называемую вириальную или динамическую массу скопления

Оказывается, что практически во всех случаях наблюдаемая суммарная масса скопления галактик всегда в 2–10 раз меньше величины M ,

определяемой из соотношения (3).

Тёмная

материя

Темная материя

Темной материей называют вещество неизвестной природы, которое взаимодействует с обычным веществом посредством гравитационного взаимодействия.

Впервые гипотеза о существовании невидимой темной материи была выдвинута в 30-х годах ХХ века (Цвикки), когда было обнаружено, что скорости движения галактик в скоплении галактик соответствуют массе скопления, которая в десятки раз превышает массу, определенную по видимому веществу. Известно, что тёмное вещество, концентрируясь, увеличивает массу галактик и более крупных структур, таких как скопления галактик.

Косвенные проявления темной материи.

•Темная материя требуется для объяснения вращения звёзд по орбитам спиральных галактик.

•Для объяснения наблюдаемой динамики звёзд необходимо предположить наличие несветящейся тёмной материи, которая простирается в десятки раз дальше видимой границы галактики.

•Температура межгалактического газа в скоплениях галактик составляет около нескольких миллионов градусов и зависит от величины гравитационного потенциала, в котором находится газ, т.е. от полной массы вещества в скоплении. Наблюдение рентгеновского излучения межзвездного газа согласуется с гипотезой темной материи.

Темная материя

Скопление галактик EMSS 1358+6245 в созвездии Дракона. Тёмного вещества в этом скоплении в 4 раза больше по сравнению с нормальным веществом. Относительная доля тёмного вещества увеличивается к центру скопления. Определив точное количество этого увеличения, астрономы смогут установить пределы на скорости столкновения частиц тёмного вещества друг с другом. Эта информация очень важна для понимания природы тёмного вещества, из которого, в основном, и состоит наша Вселенная.

•Движение местной группы галактик как целого относительно ближайшего окружения зависит от неоднородности распределения галактик вблизи местной группы галактик (скорость направлена с сторону относительного избытка числа галактик) и указывает также на наличие темной материи.

•Гравитационное линзирование изображения далеких галактик с помощью скопления галактик позволяет по форме изображения восстановить распределение плотности материи в линзе (в скоплении галактик). Изображения далеких галактик представляют собой дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления. Оказалось, что создающая тяготение масса значительно превышает видимые размеры и массу скопления. Из всей совокупности астрономических наблюдений следует, что масса темной материи примерно в десять раз больше массы светящегося вещества, состоящего из барионной материи. Физическая природа темного вещества до сих пор остаётся загадкой и является одной из фундаментальных проблем современной физики.

Темнаяматерия

Из каких частиц может состоять темная материя?

•Наименее экзотично выглядит гипотеза, согласно которой темная материя состоит из массивных объектов — планет типа Юпитера, массивных образований типа коричневых карликов, остатков эволюции звезд, существовавших до момента образования галактик, маломассивных черных дыр. В этом случае обнаружение таких объектов возможно астрономическими методами.

•Темная материя состоит из неоткрытых тяжелых медленных частиц. Существование таких частиц предполагает теория суперсимметрии. Эти гипотетические частицы должны быть суперпартнерами известных частиц, отличаться от них значениями спина и иметь гораздо большую массу. Одна из таких частиц — нейтралино — суперпартнер Z-бозона. Это самая лёгкая суперсимметричная частица, поэтому она должна быть стабильной. Нейтралино не имеет электрического заряда, поэтому электромагнитные силы на неё не действуют. Теория Большого взрыва позволяет оценить число нейтралино, образовашихся в первичной кварк-глюонной плазме. Если нейтралино участвуют только в гравитационных взаимодействиях, то обнаружить её при соответствующих сечениях взаимодействий невозможно. Однако существуют модели, согласно которым нейтралино может участвовать и в слабых взаимодействиях. Тогда, согласно этим моделям, соударение частицы темной материи с атомным ядром приведет к его отдаче. Последующие столкновения ядра отдачи с окружающими атомами вызовет выделение энергии в виде тепла или света.

Темная материя

В настоящее время разрабатывается несколько типов детекторов темной материи.

•Проект ZEPLIN. Регистрация световых импульсов, возникающих при прохождении частиц темной материи через жидкий ксенон.

•Проект CDMS. Регистрация малых тепловых импульсов, создаваемых частицами темной материи при прохождении через кристалл, охлажденный до температуры 25 мК.

•Проект DAMA. В качестве сцинтиллятора используется кристалл весом 100 кг — крупнейший в мире. Согласно оценкам частицы темной материи должны вызывать ~ 10−1 ÷10−3 соударений в 1 кг

вещества в сутки. Основная проблема детектирования — высокий уровень окружающего радиационного фона. Для того, чтобы обнаружить частицы темной материи необходимо уменьшить

радиационный фон радиоактивных примесей и космических лучей в 106 раз. Для этого установки размещаются глубоко под землей и окружаются специальным экраном.

•Тщательно очищают материалы детектора от радиоактивных примесей.

Расширяющаяся

Вселенная

Расширяющаяся Вселенная

В 1929 г. Э. Хаббл установил, что Вселенная расширяется, обнаружив красное смещение видимого излучения галактик за счет эффекта Доплера. Скорость разлёта v двух галактик и расстояние R между ними связаны законом Хаббла

v = HR,

Согласно космологической модели Большого Взрыва Вселенная образовалась около 15 млрд. лет назад. «Осколки» этого Взрыва представляют собой разлетающиеся галактики. Вселенная продолжает расширяться и в настоящую эпоху.

Расширяющаяся Вселенная

Астрономы начали вести наблюдение за световым излучением других галактик и обнаружили такое же характерное расположение спектральных линий, как и в нашей галактике. Единственное отличие состояло в том, что все линии были смещены в длинноволновую (красную) область спектра. Это явление, известное под названием эффекта Доплера, говорит о том, что галактики удаляются от нас.

В 1929 г. Э. Хаббл установил, что Вселенная расширяется, обнаружив красное смещение видимого излучения галактик за счет эффекта Доплера. Скорость разлёта v двух галактик и расстояние R между ними связаны законом Хаббла

v = HR,

км

постоянная Хаббла Н = 71±4 сек мегапарсек.

расширяться и в настоящую эпоху.

Критическая плотность вещества во Вселенной

В теории Эйнштейна кривизна пространства определяется средней плотностью ρ вещества-энергии во Вселенной.

Соотношение между средней плотностью вещества-энергии во Вселенной и критической плотностью ρк определяет судьбу

Вселенной. Критическая плотность вещества во Вселенной ρк

связана с постоянной Хаббла H и гравитационной постоянной G соотношением

ρк = 3H 2 ≈ 10−29 г/см3.

8πG

Если ρ < ρк, то Вселенная будет расширяться постоянно, и

радиус её будет возрастать неограниченно.

Если ρ > ρк , гравитационное взаимодействие будет замедлять

расширение, и оно сменится ускоряющимся сжатием. Средняя плотность наблюдаемого вещества во Вселенной — (2-5)·10−31 г/см3, что составляет (2-5)% от средней величины

критической плотности. Это вещество состоит из оптически ярких звёзд (~1/10 массы наблюдаемого вещества), межзвёздной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звёздной эволюции (включая чёрные дыры), планет и очень маленьких звёзд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза. При средней плотности наблюдаемого вещества, казалось, Вселенная обречена на замедляющееся расширение. Однако, установлено, что во Вселенной имеется большое количество неизвестной оптически невидимой материи, которую принято называть тёмной материей. Тёмная материя увеличивает массу Вселенной. Эта материя не участвует в ядерном синтезе, происходящем в звездах, не излучает свет. Её невозможно обнаружить с помощью телескопов. Тем не менее, практически нет сомнений, что во Вселенной присутствует тёмная материя. Средняя плотность тёмной материи приближается к критической плотности Вселенной, т.е. составляет ≈ 10−29 г/см3, что в

десятки раз больше плотности видимого вещества.

Тёмная

энергия

Расширяющаяся Вселенная

Космологический вакуум обладает необычными свойствами. Плотность энергии вакуума со временем не изменяется, в то время как плотности обычного вещества и холодной тёмной материи уменьшаются из-за расширения Вселенной. В отличие от сил гравитации силы, обусловленные тёмной энергией, стремятся удалить космические объекты друг от друга. Вакуум создаёт антигравитацию, которая определяет динамику Вселенной в современную эпоху. Средняя плотность энергии вакуума в единицах плотности массы

ρвакуум≈ 0.7 10−29 г/см3

ине изменяется со временем.

Впервой половине своего существования Вселенная

расширялась вследствие инерции Большого Взрыва. Во Вселенной доминировало вещество и скорость её расширения замедлялась. По мере того, как галактики и звезды все дальше удалялись друг от друга, плотность материи во Вселенной падала. Со временем галактики и звезды стали редкими вкраплениями в космологическом вакууме, и Вселенная перешла из состояния доминирования вещества в состояние доминирования вакуума и ускоренного расширения. Так как вакуум статичен, то и окружающий мир станет тоже статичным, но в отличие от статичного мира Эйнштейна, в котором состояние равновесия достигалось уравновешиванием сил гравитации и

космологического Λ-члена, теперь равновесие достигается

постоянной плотностью вакуума.

Какова природа физического вакуума?

Физический вакуум − особое состояние квантового

поля, в котором при нулевых квантовых числах суммарных зарядов, импульсов и других переменных могут возникать виртуальные частицы. Диаграммы таких процессов − образование пар

электрон-позитрон и кварк-антикварк показаны на рисунке.

Образовавшиеся виртуальные частицы могут создавать в пустом пространстве ненулевую энергию вакуума. Во всех физических системах, не связанных с гравитацией, абсолютная величина энергии системы не имеет значения, важна лишь разность энергий состояний. В гравитации, однако, это не так − необходимо учитывать все формы

энергии. Однозначного ответа на вопрос о тождественности физического вакуума и тёмной энергии Вселенной пока нет. Другой причиной обсуждаемых эффектов могут быть дополнительные измерения пространства.

Характеристики Вселенной

Темная материя

Состав Вселенной

•Барионная материя состоит из оптически ярких звёзд (на их долю приходится лишь около 1/10 массы барионной материи), межзвёздной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звёздной эволюции (включая чёрные дыры), планет и звёзд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза. Масса вещества практически целиком сосредоточена в барионах (протонах и нейтронах), причём на долю протонов приходится 85%, а на долю нейтронов – 15% массы. Нейтроны связаны в ядрах, главным образом, в ядрах гелия. В среднем

на 4-5 м3 нынешней Вселенной приходится 1 протон и

1 электрон. Вселенная электрически нейтральна. Плотность барионной материи невелика – всего 2- 5% полной плотности Вселенной (Ωб = 0.02-0.05).

•Холодная тёмная материя (с плотностью Ωхтм ≈ 0.3),

– неизвестные, слабо взаимодействующие массивные частицы. Это могут быть стабильные

нейтральные частицы с массами в десятки и сотни ГэВ/с2, предсказываемые суперсимметричными моделями, в том числе гипотетические тяжёлые нейтрино;

•Тёмной энергией (с плотностью Ωтэ ≈ 0.7), которую

интерпретируют как вакуум. Имеется в виду особая форма материи − физический вакуум, т.е.

наинизшее энергетическое состояние физических полей, пронизывающих пространство. Плотность энергии вакуума может быть не равной нулю и за счёт квантовых эффектов достигать больших значений.

Инфляционная

модель

Проблемымодели

ГорячейВселенной

•Согласно теории Великого объединения в Горячей Вселенной должно было рождаться большое количество магнитных монополей. В настоящее время плотность

вещества, обусловленная этими частицами, должна была бы в 1015 раз превосходить наблюдаемую плотность вещества во Вселенной.

•Почему наблюдаемая часть Вселенной в среднем является однородной?

•Как в однородной Вселенной образовались неоднородности, явившиеся причиной образования галактик?

•Почему наблюдаемая Вселенная является эвклидовой геометрией плоского мира?

•Почему различные части Вселенной, сформировавшиеся независимо друг от друга, в настоящее время выглядят практически одинаково?