Наставления по космологии Неда Райта

Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.sao.ru/cats/~satr/cosmo/cosmo_04r.html
Дата изменения: Tue Nov 7 14:01:22 2000
Дата индексирования: Tue Oct 2 01:58:52 2012
Кодировка: koi8-r
Поисковые слова: п п п п п п п п п п п п п п п п п п п п р п р п р п р п р п

Наставления по космологии Неда Райта - Часть 4

Предыдущая часть

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

Инфляция

Инфляционный сценарий, разработанный Старобинским и Гусом, приносит решение проблеме f-o и проблеме горизонта. Инфляционный сценарий вводит плотность энергии вакуума . Мы обычно думаем, что вакуум пустой и безмассовый, и мы можем определить, что плотность вакуума меньше 1e-30 г/см^3 теперь. Но в квантовой теории поля, вакуум не пустой, а скорее заполнен виртуальными частицами:

Диаграмма пространства-времени выше показывает виртуальные пары частица-античастица из ничего, затем они аннигилируют обратно в ничто. Для частиц массы m, можно ожидать около одной виртуальной частицы в каждом кубическом объеме со стороной равной комптоновской длине волны этой частицы, h/mc, где h постоянная Планка. Таким образом ожидаемая плотность вакуума равна rho = m⁴*c³/h³, которая довольно большая. Для самой большой массы элементарной частицы обычно рассматриваемой, планковская масса M определяется 2*pi*G*M² = h*c, эта плотность равна 2е91 г/см^3. Таким образом плотность энергии вакуума по крайней мере на 121 порядок величины меньше наивных квантовых оценок, так что должен работать очень эффективный механизм подавления. Если малая остаточная плотность энергии существует сейчас, это должно приводить к "космологической константе", которая является одним предложенным механизмом, способным разрешить неувязку между с возрастом Вселенной в модели с Omega_o=1, t_o = (2/3)/H_o = 10 Глет, и явным возрастом самых старых шаровых скоплений 16+/-4 Глет. Плотность энергии вакуума может сделать это, так как она создает "отталкивающую гравитацию", которая заставляет расширение Вселенной ускоряться и ускоряться, и это увеличивает t_o для данного H_o.

Инфляционный сценарий предполагает, что энергия вакуума была очень большой в течение краткого периода раньше в истории Вселенной. Когда во Вселенной доминирует плотность энергии вакуума масштабный коэффициент растет экспоненциально, a(t) = exp(H(t_o-t)). Постоянная Хаббла реально константа в течение этой эпохи, так что она не требует "нолика". Если эпоха инфляции продолжалась достаточно долго, экспоненциальная функция станет очень большой. Это делает a(t) очень большим и таким образом, радиус кривизны Вселенной очень большим. Диаграмма ниже показывает наш горизонт наложенный на сферу очень бoльшого радиуса вверху, или меньшую сферу внизу. Так как только мы можем видеть до нашего горизонта, для случая инфляции на верху сфера большого радиуса выглядит почти плоской для нас.

Это решает проблему f-o пока экспоненциальный рост в течение инфляционной эпохи продолжается для по крайней мере 100 удвоений. Инфляция также решает проблему горизонта, так как световой конус будущего для события, которое происходит до инфляции, расширится до гигантской области из-за роста в течение инфляции.
Inflationary space-time diagram

Эта диаграмма пространства-время показывает инфляционную эпоху, окрашенную зеленым цветом, и световые конусы будущего двух событий -- красным. Раннее событие имеет световой конус будущего, который покрывает гигантскую область, которая может легко включить весь наш горизонт. Таким образом мы можем объяснить, почему температура КМФ так однородна по небу.

Детали: крупно-масштабная структура и анизотропия

Конечно Вселенная не является действительно однородной, так как она содержит плотные области подобные галактикам и людям. Эти плотные области должны влиять на КМФ. Sachs и Wolfe (1967, ApJ, 147, 73) установили эффект возмущений гравпотенциала на КМФ. Гравпотенциал, phi = -GM/r, будет отрицательным в плотных глыбах, и положительным в менее плотных областях. Фотоны теряют энергию, когда они проникают через стенки гравпотенциала:

Sachs-Wolfe effect conformal space-time diagram

Это конформная диаграмма пространства-времени выше показывает глыбы как серые вертикальные линии, эпоху до рекомбинации как заштрихованную область и гравпотенциал как цветовую кривую phi(x). Когда световой конус нашего прошлого пересекает поверхность рекомбинации, мы видим, что температура искажается как dT/T = phi/(3*c²). Сачс и Вольф предсказали флуктуации температуры dT/T около 1 процента, но мы знаем теперь, что Вселенная значительно более однородна чем Сачс и Вольф думали. Так наблюдатели работаю годами для получения достаточной чувствительности, чтобы увидеть различия температуры по небу. Впервые анизотропию обнаружил dipole Конклин в 1969:

Карта выше взята с сайта COBE и много лучше чем обнаружение Коклиным 2 стандартных отклонений. The red part of the sky is hotter by (v/c)*T_o, while the blue Красная часть неба горячее на (v/c)*T_o, в то время как голубая часть неба холоднее на (v/c)*T_o, где означенная скорость v = 370 км/с. Вот как мы измеряем скорость Солнечной системы относительно наблюдаемой Вселенной. Целых 23 года понадобилось, чтобы анизотропия, предсказанная Сачсом и Вольфом, была наконец открыта Смутом и др. в 1992 г. Амплитуда была равна 1 на 100000 вместо 1 к 100:

Выше карта показывает космическую анизотропию (и шум детектора) после удаления дипольной составляющей и излучения от Млечного пути. Анизотропия на этой карте имеет стандартное. отклонение около 30 микроК, и если это превратить в гравитационный потенциал, используя результаты Сачса и Вольфа и тот потенциал тогда выражается как высота, предполагая константу ускорения гравитации равной гравитации на Земле, мы получит высоту равную двум расстояниям от Земли до Солнца. "Горы и долины" Вселенной в действительности действительно очень велики.

Инфляция предсказывает определенную статистическую составляющую анизотропии. Квантовые флуктуации нормально действуют на очень малые области пространства, но гигантское экспоненциальное расширение в течение эпохи инфляции делают эти малые области наблюдаемыми.

Inflation generating equal power on all scales

На диаграмме пространство-время слева выше показаны световые конусы будущего событий квантовых флуктуаций. Верх этой диаграммы реально есть объем, который пересекает световой конус нашего прошлого, которое собственно создает видимое небо. События ранее в эпоху инфляции создают большие круги на небе, как показано в нижней части карты справа. Более поздние события делают меньшие круги, как видно в середине карты, но еще больше их так как покрытие неба тоже самое как до того. Даже более поздние события делают многие малые круги, которые снова дают то же самое покрытие неба как видные наверху карты.

Образец, формируемый добавлением всех эффектов от событий всех возрастов известен как "равная мощность на всех масштабах", и она согласуется с данными Коби.

Было обнаружено, что наблюдаемая карта анизотропии соответствует инфляции, и мы в праве также спросить, предполагает ли ее амплитуда гравитационные силы достаточно большие, чтобы создавать наблюдаемое скучивание галактик.

phi(x) to clustering conformal space-time diagram

На конформной диаграмме пространство-время выше показано phi(x) на время рекомбинации, определенное их данных Коби по dT, и мировые линии галактик, которые искажаются гравитационными силами, создаваемыми градиентом потенциала. Вещество выдувается "под уклон" от пиков потенциала (красные точки на карте Коби), создавая пустоты в текущем распределении галактик, хотя долины в потенциале (голубые точки) там, где формируются скопления галактик.

КОБИ не способен увидеть точки настолько малые как скопления или даже суперскопления галактик, но если мы используем "равную мощность на всех масштабах", чтобы экстраполировать данные КОБИ до малых масштабов, мы найдем, что гравитационные силы достаточно большие, чтобы образовывать наблюдаемое скучивание, но только, если этим силам не противостоят другие силы. Если все вещество во Вселенной сделано из обычных химических элементов, то существовали очень эффективная сила до рекомбинации, так как свободные электроны, которые еще не захвачены в атомы, были очень эффективными в рассеивании фотонов космического фона. Мы можем следовательно заключить, что большая часть вещества во Вселенной есть "темная материя", которое не излучает, не поглощает и не рассеивает свет. Этот странный вывод будет сильно усилен данными по анизотропии температуры на меньших угловых масштабах, которые будут поставляться Зондом микроволновой анизотропии (MAP) в 2000.

Ned Wright's home page