Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.sao.ru/cats/~satr/cosmo/cosmo_01r.htm
Дата изменения: Thu Nov 16 15:11:40 2000
Дата индексирования: Tue Oct 2 01:56:15 2012
Кодировка: koi8-r
Поисковые слова: m 31

Наставления по космологии Неда Райта - Часть 1

Наставления по космологии - Часть 1

Часть 1: Наблюдения глобальных параметров
Часть 2: Однородность и изотропия; Разные расстояния; Масштабный коэффициент
Часть 3: Пространственная кривизна; Плоскость-возрастность; Горизонт
Часть 4: Инфляция; Анизотропия и неоднородность
Библиография

Еще несколько сот веков назад Солнечная система и Вселенная были эквиваленты в умах ученых, так что открытие того, что Земля не не в центре Солнечной системы стало важным шагом в развитии космологии. В начале 20-го столетия Шепли установил, что Солнечная система далека от центра Млечного пути. Так с 20-х годов 20 века наступил этап критических наблюдательных открытий, которрые привели к модели Большого взрыва Вселенной.

Ключевые наблюднеия

В 1929 Хаббл опубликовал утверждение, что радиальные скорости галактик пропроциональны расстоянию до них. Красное смещение галактики есть мера ее радиальной скорости и оно может быть измерено, используя спектрограф, чтобы определить смещение Допплера. График ниже показывает данные Хаббла 1929 года:

Наклон аппроксимационной прямой равен 464 км/сек/Мпс, и известен теперь как постоянная Хаббла, H_o. [Иногда я буду использовать нотацию из TeXа, так что A_x обозначает, что x есть нижний индекс, A_x, в то время как A^x обозначает что x -- верхний показатель, A^x.] Так как и км и мегапарсеки (1 Мпс = 3.086e24 см ["e24" обозначает произведение 3.086 на 10 в 24-й степени]) есть единицы расстояний, упрощенной единицей H_o есть 1/время, и это превращение приведет к выражению

1/H_o = (978 Гигалет)/(H_o в км/с/Мпс).

Таким образом это значение, полученное Хабблом приблизительно равно 2 миллиардам лет. Так как оно должно быть близко к возрасту Вселенной, и мы знаем (и это было известно в 1929), что возраст Земли больше, чем 2 миллиарда лет, величина H_o привела к сильному скептецизму относительно космологических моделей, и мотивировало появление стационарной модели. Однако, последующая работа показала, что Хаббл спутал два вида переменных звезд -- цефеид в калибровке расстояний, и также то, что Хаббл считал за яркие звезды в далеких галактиках, были на самом деле H II областями. Исправление за ошибки привело к более низкому значению постоянной Хаббла: сейчас главным образом две группы использовали цефеиды: В проекте определения шкалы расстояний на телескопе Хаббла (HST) команда (Freedman, Kennicutt, Mould и др.) которая дает 68-78 км/с/Мпк, в то время как группа Sandage, также используя наблюдения цефеид на HST для калибровки сверхновых первого типа (SNIa), получила 57+/-4 км/с/Мпк. Другие методы измерения шкалы расстояний включают время запаздывания в гравлинзах и эффект Сюняева-Зельдовича в далеких скоплениях галактик: оба метода независимы от калибровки по цефеидам и дают значения, совместимые со средним значениям групп телескопа Хаббла: 65+/-8 km/sec/Mpc. Для этого значения H_o, "возраст" 1/H_o равен 15 миллиардам лет.

Данные Хаббла в 1929 г. действительно были очень бедны, так как индивидуальные галактики имеют пекулярные скорости в несколько сот км/с и измерения Хаббла дошли только до 1200 км/с. Это привело некоторых ученых к предположению о квадратичном законе красное смещение-расстояние, но показанные ниже данные по SNIa из работы Riess, Press and Kirshner (1996)

тянутся за 30,000 км/с и дают надежное подтверждение закона Хаббла,

v = dD/dt = H*D

Прямая на этом графике имеет наклон 64 км/с/Мпк. Так как мы измеряем радиальную скорость, иcпользуя допплеровское смещение, ее часто называют красным смещением, оно определяется так:

1 + z = lambda(наблюдаемая)/lambda(излучаемая)

где lambda есть длина волны линии или детали в спектре объекта. Мы знаем из теории относительности , что красное смещение определяется формулой

1 + z = sqrt((1+v/c)/(1-v/c)),  так что v = cz + ...

Нижний индекс "o" в H_o (произносится Аш-ноль = "aitch naught") указывает на текущее значение этой переменной от времени величины. Так как 1/H_o приблизительно возраст Вселенной, величина H зависит от времени. Другой величиной с "ноликом" является t_o, - возраст Вселенной.

Линейный закон d-z, открытый Хабблом сравним со взглядом Коперника на Вселенную: наше положение не выделено. Во-первых, скорость удаления симметрична: если А видит Б удаляющимся, то очевидно Б видит А удаляющимся, как показано на диаграмме:

которая основана на рисунке Боба Киршнера. Затем рассмотрим следующую диаграмму пространство-время, показывающую несколько близких галактик, движущихся от нас с нашей точки зрения (галактика А, голубая мировая линия) на верху и с точки зрения галактики Б (зеленая мировая линия) внизу.
смещение от линейного закона

Эти диаграммы относительно двух различных точек зрения идентичны, за исключением имен галактик. Квадратичный закон v(sq) = D², с другой стороны, преобразуется в анизотропный неквадратичный закон, когда меняется точка отсчета, как показано ниже.
отклонение от квад. закона

Таким образом если мы видим квадратичный закон скорость-расстояние, то наблюдатель в разных галактиках видел бы разные законы -- и они были бы разными в различных направлениях. Таким образом если мы видим v(sq), то Б видел бы более высокие радиальные скорости в направлении "плюс", чем в направлении "минус". Этот эффект позволил бы локализовать "центр Вселенной", найдя место, где закон красное смещение-расстояние был бы тем же самым во всех направлениях. Так как мы действительно видим тот же самый закон во всех напралениях, то или закон красное смещение-расстояние линеен или мы в центре, что противоречит подходу Коперника.

Закон Хаббла создает однородное расширение, которое не меняет форму объектов, в то время как другие возможные соотношения скорость-расстояние привели бы к искажениям в течение расширения.

Закон Хаббла определяет особую систему отсчета в любой точке Вселенной. Наблюдатель с большим движением по отношению к Хаббловскому потоку измерял бы голубые смещения впереди и большие красные смещения сзади, вместо тех же самых красных смещений, пропорциональных расстоянию в любом направлении. Таким образом мы измеряем наше движение к хаббловскому потоку, которое есть также движение относительно наблюдаемой Вселенной. Сопутствующий наблюдатель находится в покое в этой особой системе отсчета. Наша Солнечная система не совсем сопутствующая: мы имеем скорость 370 км/с относительно наблюдаемой Вселенной. Местная Группа галактик, которая включает Млечный путь, по-видимому, движется со скоростью 600 км/с относительно наблюдаемой Вселенной.

Хаббл измерил несколько галактик разной яркости в различных направлениях на небе. Он нашел приблизительно то же самое число слабых галактик во всех направлениях, даже хотя и существует большой избыток ярких галактик в северной части неба. Когда распределение одно и то же во всех направлениях оно изотропно. И когда он искал галактики с потоками ярче чем F/4, он видел в 8 раз больше галактик, чем тех, которые подсчитаны для потоков ярче F. Так как поток в 4 раза меньше предполагает удвоеннное расстояние, и следовательно объем обнаружения в 8 раз больше, что указывает, что Вселенная близка к однородной (имеющей однородную плотность) на больших масштабах.

Этот рисунок показывает однородный, но неизотропный образец слева [в связи с этим противореча Dr. Science!:) ] и изотропный, но неоднородный пример справа. Если рисунок изотропен в более чем одной точке (или 2, если сферический случай) то он должен быть также однородным.

Конечно, Вселенная не является реально однородной и изотропной, так как она содержит плотные области подобные Земле. Но она может быть еще стационарно однородной и изотропной, как 24 kB модельное поле галактик, которое однородно и изотропно после сглаживания мелкомасштабных деталей. Пикок и Доддс (1994, MNRAS, 267, 1020) искали частичные флуктуации плотности в близкой Вселенной как функцию радиуса сглаживающим фильтром "цилиндр", и нашли:

delta(rho)/rho от радиуса цилиндра-фильтра, H=65

Таким образом для областей 100 Мпк Вселенная сглажена в пределах нескольких процентов. Обзоры красных смещений очень больших областей подтверждают эту тенденцию к сглаживанию на самых больших масштабах.

Доказательства в пользу изотропной и однородной Вселенной становятся еще более сильными после открытия в 1965 г. Перзиасом и Уилсоном Космического микроволнового фона (КМФ). Они наблюдали избыток потока на волне 7.5 см, эквивалентный излучению от черного тела с температурой 3.7+/-1 К. [Шкала абсолютных температур имеет ту же самую единицу -- градус как в шкале Цельсия, но отсчет ведется так, что температура замерзания воды равна 273.15 К]. Излучателем фона является объект, который поглощает любое излучение, которое нагревает его и имеет постоянную температуру. Многие группы измеряли интенсивность КМФ на разных частотах. В настоящее время наилучшие данные по спектру КМФ поступили от инструмента FIRAS на спутнике COBE и он показан ниже:

По оси x идет волновое число или 1/[длина волны в см]. По оси y идет мощность на единицу площади и единицу частоты и на единицу телесного угла в МегаЯнский/ср. 1 Янский есть 10^-26 Ватт/м^2/Гц. Ошибки были умножены на 400, чтобы их было видно, но точки данных соответстуют излучению от черного тела с температурой T_o = 2.725 К.

Температура КМФ почти та же самая по всему небу. Рисунок ниже показывает карту температуры на масштабе от 0К - черный , до 3 К - белый цвет.

Таким образом микроволновое небо исключительно изотропно. Эти наблюдения объединены в Космологический Принцип:

Вселенная однородна и изотропна

Другое свидетельство в пользу Большого Взрыва дает обилие легких элементов, таких как водород, дейтерий (тяжелый водород), гелий и литий. Так как Вселенная расширяется, фотоны КМФ теряют энергию благодаря красному смещению и КМФ становится холоднее. Это обозначает, что в прошлом температура фона была выше. Когда Вселенной было только несколько минут от роду, температура была достаточной, чтобы создать легкие элементы в термоядерном горении. Теория нуклеосинтеза в Большом Взрыве предсказывает, что только 1/4 всей массы Вселенной должна быть гелием, что очень близко к наблюдаемому. Обилие дейтерия обратно пропорционально плотности нуклеонов во вселенной, и наблюдаемое обилие дейтерия предполагает, что в каждых 4-7 м^3 пространства Вселенной имеется один нуклеон.

Следующая часть

Домашняя страница Неда Райта