Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
инфляции полностью подтверждается наблюдениями. Однородность в
распределении фотонов в прошлом приводит к изотропии реликтового
излучения сейчас. Поясним это утверждение рис. 54. Различные области А,
В, С представляют собой разные области пространства, лежащие на
одинаковом расстоянии от наблюдателя О. А именно сейчас они лежат на
сфере с радиусом г=ъ12Н~1, равным современному горизонту частиц. Лучи,
которые доносят сведения о физических параметрах А, В, С, состоят из
реликтовых фотонов. Наблюдатель увидит все три области лежащими в разных
направлениях; другими словами, одинаковые пространственные •свойства
плазмы для наблюдателя О проявятся в свойстве изотропии излучения.
182
10. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
Любопытно отметить один важный наблюдательный аргумент в пользу теории
инфляции.
В первой главе при рассмотрении свойств горизонта в решении Фридмана мы
обнаружили, что различные области пространства, разделенные расстояниями
большими, чем Н~\ никогда в прошлом не взаимодействовали. Значит к
моменту рекомбинации в стандартной фридмановской. модели
причинносвязанными между собой оказывались только те области, размер
которых не превышал ctpcK. Внутри пространственных областей такого
размера должна была установиться примерно' одинаковая температура.
Различные области могли бы сильно отличаться по свойствам, поскольку
никогда в прошлом не взаимодействовали. В частности, они могли бы
обладать различной температурой реликтового излучения. Угловой масштаб
сильной анизотропии Т на небе легко вычислить. Угол под которым сейчас
видна область размером, равным размеру горизонта на стадии рекомбинации,
сейчас составляет
е=^о-(1-+|--Кек +1 *= 2°.
Наблюдения показывают отсутствие сильной анизотропии на угловом масштабе
в несколько градусов. Этот факт можно трактовать как прямое следствие
инфляционной стадии.
Несмотря на высокую степень изотропии реликтового излучения, в
распределении потока (или, что эквивалентно, температуры Т) по небу
должны присутствовать угловые флуктуации величины потока, или, как их
чаще называют, флуктуации температуры bTjT. Нам известны по крайней мере
четыре основных механизма, которые должны вызывать угловые флуктуации
температуры. На больших угловых масштабах основной причиной, вызывающей
анизотропию, является эффект Сакса - Вольфа. Он заключается в изменении
частоты фотонов в гравитационном поле.
Поясним подробнее. После того как фотон проходит разность гравитационных
потенциалов Лер, его частота v меняется, на величину
6v _ .
'---- Дф.
v
Рис. 54. Три различные области А, В, С, лежащие на горизонте наблюдателя
О
У. ФЛУКТУАЦИИ РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
183
Для ансамбля фотонов, обладающих планковским спектром, 'Сдвиг частоты
каждого фотона эквивалентен изменению температуры спектра:
6Г _ 6у Т v *
Значит в неоднородном и переменном гравитационном поле температура
излучения будет зависеть от направления.
На меньших угловых масштабах основной вклад в вариации температуры дает
так называемый эффект Силка. Он возникает для адиабатических флуктуаций
плотности. Если энтропия (т. е. отношение числа барионов к числу фотонов)
постоянна :по пространству, то флуктуации плотности приводят к
флуктуациям числа фотонов по пространству. Из равенства
Пь/Т3=const
•следует
67- (г) 1 бр (г)
Т 3 р
Неоднородность в распределении температуры в момент рекомбинации приведет
к анизотропии б Т/Т сейчас.
Наряду с изменениями плотности важную роль играет и допплер-эффект
пекулярного движения вещества, т. е. случайного движения, наложенного на
среднее хэббовское расширение. Заметим, что в силу законов неразрывности
рост возмущений не возможен без соответствующих пекулярных скоростей.
Распределение галактик по пекулярным скоростям при разных z станет важным
источником информации о первичных возмущениях.
Не связанным непосредственно с возмущениями метрики в эпоху рекомбинации,
но важным для определения эволюции Вселенной при z-5-10 является
следующий эффект, который тоже приводит к изменению температуры
(Зельдович, Сюняев, 1982). Он состоит в том, что горячий газ электронов
на луче зрения из-за комптоновского рассеяния передает свою энергию
реликтовым фотонам и изменяет их температуру. Угловая неравномерность в
распределении горячего газа приводит к флуктуациям температуры
реликтового излучения по небу.
Этот эффект позволяет сделать выбор при сравнении двух теорий образования
крупномасштабной структуры Вселенной: теории блинов и теории взрывной
неустойчивости. Теория взрывной неустойчивости описывает возникновение
ячеистой структуры Вселенной из энтропийных возмущений. Основные этапы в
ней таковы. Из энтропийных возмущений образуются лервозвезды с чудовищной
(до 102 Мв) массой. Взрываясь, эти звезды рождают сильную ударную волну
плотности. Она ини-
184
10. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
циирует новые взрывы и порождает сетчатую структуру в крупномасштабном
распределении материи. Как показывают расчеты (Хоган, 1984), образование
