Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
протонов и нейтронов, объединенных общим названием барионы (см. ниже).
Возможно, часть барионного вещества по той или иной
4. СКРЫТАЯ МАССА
11
причине не видна. Например, она находится в форме ионизованного газа или
темных звезд. Но даже с учетом этого ?2& едва ли превосходит 0,2, а
аргументы, связанные с первичным нуклеосинтезом, приводят к ограничению
на ?2ь вблизи нижнего предела астрономических наблюдений: ?2ь~0,03.
§ 4. СКРЫТАЯ МАССА
Сейчас можно считать твердо установленным, чго основная масса вещества во
Вселенной находится в какой-то необычной, не барибнной форме.
Непосредственно наблюдать эти формы материи невозможно, она невидима,
однако по ее гравитационным проявлениям можно заключить, что отвечающий
ей параметр ?2 больше или порядка 0,3. Об этих формах материи говорят как
о скрытой массе Вселенной. Различают две формы скрытой массы. Первая
образует гало вокруг галактик и их скоплений и ее пространственное
распределение следует за распределением видимого вещества. Для нее
?2^0,3. Нельзя исключить, что помимо кластеризованной, неоднородной
распределенной невидимой материи, во Вселенной существует однородный фон
невидимого вещества. Последний весьма трудно изучать в астрономических
наблюдениях, и точность здесь очень низка. Однако мы делаем гипотезу о
его существовании, так как инфляционная модель, на которой основано
решение важнейших космологических проблем (см. ниже), предсказывает ?2=1,
и, таким образом, необходимо иметь ?2фОН~0,7.
Кажется совершенно удивительным, что Вселенная более чем на 90% по массе
состоит из неизвестной нам формы материи. Однако этот вывод, по-видимому,
неизбежен. Даже если бы удалось найти какой-то физический механизм (что
весьма маловероятно), который бы объяснил, почему подавляющая часть
обычного вещества невидима, имеются независимые аргументы, говорящие о
том, что вся масса Вселенной не может быть связана с барионами. Во-
первых, это первичный нуклеосинтез, который требует ?2ь~0,03 (см. § 8),
и, во-вторых, это теория образования структуры Вселенной. Мы обсудим ее в
гл. 10, а сейчас отметим только, что высокая изотропия спектра
реликтового излучения говорит о том, что неоднородности в плотности
барионного вещества на ранней стадии должны быть весьма малы и поэтому
галактики и их скопления не смогли бы за имеющееся время развиться из
этих неоднородностей. Положение могла бы спасти гравитирующая материя, не
взаимодействующая с электромагнитным излучением, которая и составляет
скрытую массу.
12
1. СТАНДАРТНАЯ КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
§ 5. НЕОДНОРОДНОСТИ
Наблюдения показывают, что в малых (в космологическом смысле) масштабах
видимое вещество распределено весьма неравномерно. Однако в больших
масштабах Вселенная однородна. Линейный размер, характеризующий переход
от неоднородного распределения вещества к однородному, составляет
примерно 200 Мпк. Другими словами, при усреднении плотности вещества
внутри куба с ребром меньше чем 200 Мпк, например 2 Мпк, мы будем
получать контрасты плотности порядка единицы. При усреднении плотности
внутри куба с ребром более 200 Мпк мы будем получать однородное
распределение вещества, не зависящее от места нахождения куба.
Подчеркнем, что линейные размеры наблюдаемой части Вселенной составляют
несколько гигапарсек, так что кубов с ребром в 200 Мпк в части Вселенной,
охваченной наблюдениями, будет несколько тысяч. Такое количество
испытаний дает, разумеется, статистически значимую величину. Поэтому
однородность вещества в масштабах 200 Мпк и больше не является случайным.
Изучение реликтового излучения показывает, что в прошлом Вселенная была
еще более однородна. Согласно последним наблюдениям реликтовое излучение
изотропно с точностью лучше, чем 3-10~5 для углов от 90° до 10' и с
точностью ~ 10~2 для малых углов. Отсюда следует, что в эпоху
рекомбинации водорода степень однородности в масштабах сегодняшнего дня
порядка 10 Мпк была выше, чем ~ 10-4, а в масштабах ~10 пк - лучше, чем
КН.
Данные о степени однородности в более ранние эпохи скуднее. Наблюдения
космического дейтерия позволяют сделать вывод, что барионы были
достаточно однородно распределены в эпоху первичного нуклеосинтеза (f-100
с), так как выход дейтерия очень чувствителен к концентрации барионов.
Неоднородность в ранние эпохи на очень больших масштабах (сильно
превышающих размер горизонта в то время) исключается современными данными
по крупномасштабной анизотропии реликтового излучения, по измерениям
постоянной Хэббла и т. п.
Исходя из сказанного, мы полагаем, что ранняя Вселенная была с высокой
степенью однородна как в малых, так и в больших масштабах. В теории
космологической эволюции
в качестве нулевого приближения используют идеализированное представление
об однородной и изотропной Вселенной и на фоне этой однородной эволюции
изучают развитие неоднородностей, связанных с гравитационной
неустойчивостью. Сразу подчеркнем, что какие-то начальные неоднородности
