Элементы космологии



Скачать 497.1 Kb.
страница11/11
Дата05.05.2018
Размер497.1 Kb.
ТипКурс лекций
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
19. Образование структуры во Вселенной

Вопрос о происхождении структуры во Вселенной принадлежит к числу фундаментальных. От его решения зависит понимание многих процессов во Вселенной. Сейчас он находится в стадии интенсивной разработки. Поэтому остановимся на нем вкратце.

Что, собственно говоря, нужно объяснять, и какие здесь возникают проблемы? Наша Вселенная однородная лишь в среднем, в очень больших масштабах l  100 Мпс. В меньших масштабах она существенно неоднородная. Можно выделить следующую иерархию структур: планеты, звезды, шаровые скопления ( l  1 пс, M ~ 104106), галактики ( l  10100 пс,
M ~ 1061012). Галактики могут быть свободно разбросаны в пространстве  это галактики поля,  либо входить в скопления или сверхскопления, размеры которых десятки мегапарсек. Они могут содержать десятки тысяч галактик. Так, типичная масса сверхскопления ~ 1015. В свою очередь, они занимают во Вселенной относительно тонкие "стенки" толщиной ~ 1020 Мпс. Между ними  пустота (так называемые "войды"). Характерные размеры войдов  десятки мегапарсек, вплоть до ~ 100 Мпс. Эта картина распределения вещества во Вселенной в самых крупных масштабах напоминает ячеистую структуру типа биологических клеток (см. рис. 36). В бóльших масштабах неоднородности не наблюдаются.

Проблема заключается в том, чтобы понять, какая совокупность процессов привела к этой иерархии структур.

Отправным является процесс гравитационной фрагментации. Однако здесь возникает ряд вопросов. Прежде всего  это вопрос о начальных возмущениях. Как было показано в Задаче № 7, для объяснения наблюдаемых контрастов плотностей необходимы большие возмущения на момент рекомбинации. Какова природа столь больших возмущений, на много порядков превосходящих уровень термодинамических флуктуаций? Каким образом эти возмущения не проявляются в реликтовом излучении?

На первый вопрос ответ дает инфляционная теория: высокий уровень начальных возмущений есть следствие квантовых флуктуации на стадии инфляционного раздувания.

На второй вопрос ответ менее определенный. Если скрытая масса имеет небарионную природу* и сосредоточена в форме не взаимодействующих частиц, то ограничения на уровень флуктуации реликтового излучения T/Т более-менее согласуются с наблюдательными данными. Однако в настоящее время появились указания на то, что скрытая масса имеет барионную природу. В этом случае начальные возмущения должны быть определенного типа  так называемые энтропийные возмущения: в возмущениях этого типа до момента рекомбинации излучение однородно, вариации испытывает только плотность вещества. С этим и связан низкий уровень флуктуации реликтового излучения. Но здесь возникает другая нетривиальная ситуация. Джинсовская масса на момент рекомбинации Mj оказывается порядка 104 это типичная масса шаровых скоплений. После рекомбинации меньшие масштабы, осциллируя, быстро затухают вследствие диссипации (фотонной диссипации). Бóльшие масштабы имеют меньшую начальную амплитуду (естественно, что спектр колебаний, то есть распределение амплитуд колебаний по размерам возмущений, падающий). Поэтому масштабы порядка джинсовского быстрее всего выйдут на нелинейный режим и достигнут наблюдаемых контрастов. То есть, Mj является выделенной.

Как же тогда образуются структурные единицы большего масштаба? Это может происходить вследствие скучивания более мелких образований. При скучивании они взаимодействуют, частично разрушаются. Так формируются галактики. Когда время их разрушения становится достаточно большим, прекращается образование протогалактики как изолированной системы. И лишь в центре скоплений, где плотность выше, этот процесс затягивается. Могут сливаться даже галактики (явления типа "каннибализма" галактик. В результате образуются массивные центральные cD-галактики. Изложенная схема позволяет понять, почему существует верхний предел масс галактик.

Cкучивание (но уже без разрушения, то есть без слипания) более мелких структур приводит к формированию скоплений и ячеек. Численные расчеты непосредственно демонстрируют, как это происходит.

Резюмируя, можно сказать, что формирование структуры во Вселенной происходит в результате двух процессов. Мелкомасштабные единицы, звезды и т.д., образуются путем последовательной фрагментации более крупных образований типа шаровых протоскоплений. Крупномасштабные структуры возникают вследствие другого процесса, в некотором смысле обратного предыдущему,  скучивания. Причем, протогалактики образуются вследствие сильного взаимодействия между шаровыми протоскоплениями, которые приводят к их разрушению и слипанию.





Подчеркнем, что здесь речь идет о разбегании галактик в сред­нем. Если воспользоваться аналогией между движением галактик и молекул газа, то помимо среднего движения они совершают еще собственные, или, как говорят в астрофизике, пекулярные движе­ния. Некоторые ближайшие галактики вообще движутся к нам, т.к. для них хаббловская скорость расширения мала (мало r), а соб­ственная скорость оказывается больше средней. Для этих галак­тик линии в спектре смещены не в красную, а в синюю область. Однако в среднем галактики от нас удаляются. Для галактик, расположенных на достаточно больших расстояниях, имеет место только красное смещение спектральных линий.

 Отметим здесь проблему: возраст старых шаровых скоплений оценивается в 1618 млрд. лет, то есть больше tB. Можно сослаться на то, что в оценках возрастов Вселенной и шаровых скоплений присутствуют значительные ошибки порядка нескольких десятков процентов. С учетом этого противоречие снимается. Однако этот вопрос все равно требует дальнейшего рассмотрения. Указанная проблема была решена лишь в 90-е годы прошлого века.


 Иногда в литературе можно встретить выражение, что расширение Вселенной есть следствие Большого Взрыва (Big Bang). К этому образу следует относиться с осторожностью, так как в действительности никакого взрыва не было. В самом деле, расширение газа при взрыве происходит из-за перепада давления в разных областях пространства. В случае же со Вселенной распределение вещества в ней однородное, и никаких перепадов нет.

 Вообще говоря, пространство-время при этом не становится кривым, поскольку обратным преобразованием метрический тензор можно снова вернуть к галилеевому виду.


 Не вдаваясь в детали, отметим, что xi и xi  это координаты одной и той же точки, записанные в разных проекциях.

Интересно отметить, что степень кривизны, создаваемая, например, Солнцем, мала. По порядку величины она равна. Однако проявление искривленности пространства вовсе не мало, и следствием его является то, что планеты движутся по замкнутым траекториям.


 Отметим, что для наглядного представления двумерного кривого пространства надо перейти к трехмерному измерению.


 Выше для замыкания уравнений использовано условие сохранения массы (2.3). При включении давления нужно учесть работу сил давления, что приведет к изменению внутренней энергии среды.


* Стоит отметить, что на это излучение наталкивались и раньше, но природа его тогда осталась непонятой.


* Сразу оговоримся, что обсуждаемые далее вопросы опираются на современные представления о строении элементарных частиц и квантовой теории поля. Строгое изложение этих вопросов выходит далеко за рамки настоящего курса. Поэтому в части обоснования используемого ниже вакуумоподобного уравнения состояния приводятся лишь упрощенные качественные соображения.

* Это и обуславливает скалярный характер -поля иначе масса частиц была бы векторной величиной, то есть зависела бы от направления.


** Теория Великого объединения предсказывает также несохранение барионного заряда  распад протона на позитроны и фотоны. Процесс этот крайне маловероятный. Время жизни протона p, оценивается в p ~ 10311034 лет. Сейчас установлено, что p  1032 лет.

*** Экспоненциальный закон расширения Вселенной получал де Ситтер. Он рассматривал эволюцию пустой Вселенной (без вещества) с учетом так называемой космологической постоянной A. Смысл ее определяется тем, что при A > 0 она приводит к силам отталкивания (в пустом пространстве без материи, то есть, в вакууме!), растущим пропорционально расстоянию между точками. Уравнение де Ситтера совпадает в точности с (2.46), если в нем сделать замену .

 Следует подчеркнуть, что планковская плотность, по-видимому, есть предельная плотность.


 К сказанному добавим, что это только один из возможных механизмов появления барионного заряда.

** Строго говоря, момент времени t4 следует отодвинуть примерно до 104 с. Это связано с тем, что масса , -мезона приблизительно на порядок меньше массы протона.

* Напомним. что скрытая масса составляет примерно 90% массы Вселенной.




Каталог: web
web -> Литература Древняя Русь в «Слове о полку Игореве»
web -> Рабочая программа специальность 351500 математическое обеспечение и администрирование информационных систем статус дисциплины
web -> Проблемы становления и развития социального диалога на региональном уровне
web -> Форум образовательных инициатив национальный наблюдательный центр юневок центр кыргызстан
web -> Социальное партнерство в России: специфика или подмена понятий? Термины «социальное партнерство»
web -> История философии тема Философия как наука: предмет, социальная роль и место в культуре


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница