570 likes | 792 Views
Элементы космологии. Содержание. Космологические модели Горячая вселенная Исследования микроволнового фона (спектр, анизотропия). Стандартная космологическая модель. Космологический принцип: Вселенная пространственно однородна и изотропна.
E N D
Содержание • Космологические модели • Горячая вселенная • Исследования микроволнового фона (спектр, анизотропия)
Стандартная космологическая модель • Космологический принцип:Вселенная пространственно однородна и изотропна. • Метрика Робертсона – УокераR(t)– космический масштабный факторk– индекс кривизны (-1, 0, +1 при подходящем выборе единиц для r)Пространственные координаты r, θ, φобразуют сопутствующую систему (для типичных галактик они постоянны).
Красное смещение Движение фотона происходит по геодезической линии Изменение частоты фотона. Если Rрастет, λ тоже растет – красное смещение.
Расстояния в космологии • Собственное расстояниеотносительная скорость двух наблюдателей выражается законом Хаббла Собственное расстояние измерить нельзя и оно не имеет большого смысла для наблюдательной космологии.
Расстояния в космологии (2) • Фотометрическое расстояние • Угловое расстояниепри z << 1 dугл ≈ dф ≈ dсоб ≈ R(t0)r1
Горизонт частиц • Горизонт частиц - это расстояние до самого далекого источника, в принципе наблюдаемого в данный момент времени (уточним, что речь идет о расстоянии до объекта в момент приема фотона, а не в момент излучения). Иногда этот радиус определяют по-другому: расстояние, которое фотон может пройти от t=0 до данного момента (т.е. это расстояние, на которое можно передать информацию за время, равное возрасту Вселенной).
Горизонт событий • Горизонт событий - довольно хитрое понятие (и не во всякой космологической модели он существует). Расстояние до горизонта событий в настоящий момент - это расстояние до частицы, до которой может дойти наш световой сигнал, посланный в данный момент. Другими словами – события за пределами этого горизонта мы никогда не увидим.
По горизонтальной оси - собственное расстояние, по вертикальной - время. Показаны мировые линии «галактик». Линия z = 1000 примерно соответствует наблюдаемой сейчас поверхности последнего рассеяния. Именно с ней связано реликтовое излучение. Отмечен наш световой конус (каплеобразная фигура в центре). Также указаны горизонт частиц, горизонт событий и Хаббловская сфера. Горизонтальная линия в середине рисунка соответствует настоящему моменту времени. Все рисунки построены для плоской лямбда-модели (ΩΛ=0.7).
То же, но теперь по горизонтальной оси отложено сопутствующее расстояние, а по вертикальной оси – конформное время, dτ = dt/R(t). На этом рисунке яснее видны детали вблизи t = 0. Кроме того, световой конус превратился из каплеобразной фигуры действительно в конус.
Зависимость красного смещения от расстояния H0и q0– постоянная Хаббла и параметр замедления
Три типа пространства piatta sferica Модели эволюции Вселенной
Критическая плотность Закон сохранения энергии
Частный случай – плоская Вселенная
Модель горячей Вселенной • Эпоха первичного нуклеосинтеза завершается к моменту t ~ 200 с. • Хим. состав дозвездного вещества:H(75%), 4He(25%), D(3x10-5), 3He(2x10-5), 7Li(10-9) Г.А. Гамов
Модель горячей Вселенной • Идея горячей Вселенной – в работах Алфера, Бете и Гамова (1948), рассмотревших состояние вещества, при котором ρизлучения>> ρвещества. Их идея состояла в получении через ядерные реакции наблюдаемого химического состава. Предсказали наличие реликтового микроволнового излучения с T~ 5 K, оставшегося от эпохи, когда горячее вещество (плазма) было непрозрачно для излучения и вещество находилось в состоянии термодинамического равновесия с излучением.
История • Одна группа (Новиков и Дорошкевич в России) на основе теоретических изысканий была весьма близка к предсказанию реликтового остатка ранней горячей Вселенной. • Другие две группы в США (BellTelephoneLaboratories, Принстон).
История Arno Penzias & Robert Wilsonпроводя р/технические измерения на =7 см Обнаружили избыточный сигнал равный 3.51.5 К 1965 г. – открытие CMBR
История • группа Дикке построила приемник на длине волны 3 см и их измерения дали температуру (3.0 0.5) К • = 7 см и 3 см спектр • Astrophys.J, 1965, 142, 414 R. Dicke et al. • Astrophys.J, 1965, 142, 419 A. Penzias & R. Wilson
История • Идея, что вся Вселенная заполнена полем излучения была высказана задолго до его открытия в 1965 г. и, мало того, достаточно точно была по наблюдениям определена его температура. • Дж. Гамов и его коллеги, работая над проблемой нуклеосинтеза, пришли к выводу, что Вселенная в ранние этапы должна была пройти состояние с очень высокой температурой.
История • Однако были проведены и более ранние измерения реликтового излучения • McKellar (1941г.) в своих пионерских работах по исследованию молекул (дублета CN на длине волны 3874 Å) в межзвездной среде обнаружил излучение с температурой 2.47 К Он полагал, что это соответствует межзвездному излучению за которое ответственны звезды в Галактике
История • Шмаонов: при обзоре неба на = 3.2 см в Пулково на рупорной антенне обнаружил избыточное излучение • ПиТЭ, 1957 г. «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 43 К» • Более того, было показано, что интенсивность излучения не зависит ни от времени, ни от направления!
Исследования микроволнового «реликтового» фона Результаты измерений спектра микроволнового фона на ИСЗ “COBE”
Искажения спектра • Поиск отклонений спектра от чернотельного является чувствительным инструментом в оценке возможного выделения энергии (вторичного разогрева) в результате спецефических процессов в ходе эволюции Вселенной: • огромные выделения энергии в результате распада первичных частиц на Z от 109 до 103
Искажения спектра Как следствие, многие теории образования галактик с: • аннигиляцией • испарением первичных черных дыр • распадом экзотических частиц и др. не выдержали «планковости» спектра реликтового излучения
Дипольная анизотропия микроволнового фона Скорость Солнечной системы v = 316 12 км/с.
CMBR как «новый эфир» T = To (1 + v/c cos) T 3.36 mK Местная группа движется со скоростью600 км/сек в направлении: • RA 11.2 h • Decl -07
Мелкомасштабная анизотропия микроволнового фона An image of the CMBR, taken by COBE. The scaling in this plot shows irregularities smaller than one-ten-thousandth of a degree (K)! These bumps are the seeds from which galaxies are thought to have formed.
Эксперименты Спутниковые: • COBE MAP PLANCK Баллонные: • Archeops, FIRS, ARGO, MAX, MSAM, BAM, QMAP, BOOMERanG, MAXIMA, Top Hat, ACE, BEAST, Наземные: • Tenerife, South Pole, Saskatoon, Python, IAB, White Dish, CAT, OVRO, ATCA, SuZIE, Viper, COBRA, Jodrell Bank, Brown/Wisc Polarization, MAT, DASI, VSA, CBI, POLAR, Polatron, «Космологический Ген Вселенной»
Генетический код Вселенной РАТАН-600 = 150 см ( = 0.6 30 ГГц)
Модель инфляционной Вселенной • Трудности классической космологии: • Проблема горизонта (проблема причинности) • Проблема близости средней плотности к критической • Основная идея модели инфляционной (раздувающейся) Вселенной состоит в том, что в очень ранней Вселенной существовала необычная форма материи, которая создавала «антигравитацию». При этом масштабный фактор растет со временем экспоненциально. Это позволяет решить обозначенные выше проблемы.