Адиабатические флуктуации

Адиабатические флуктуации в космологии - один из возможных типов малых нарушений однородности Вселенной, привлекаемых для объяснения происхождения ее наблюдаемой структуры: галактик, а также групп, скоплений и сверхскоплений галактик. Адиабатические флуктуации присутствуют, вероятно, уже на самых ранних стадиях эволюции Вселенной - вблизи космологической сингулярности (см. Сингулярность космологическая). Они представляют собой неоднородности плотности и потенциальные возмущения скорости вещества, которые нарушают однородное и изотропное расширение Вселенной и, нарастая под действием сил тяготения, приводят к образованию гравитационно обособленных космических тел. Адиабатические флуктуации сохраняют удельную энтропию строго неизменной по пространству - отсюда их название (см. Адиабатический процесс). Постоянство удельной энтропии является, согласно современным теориям (см. Барионная асимметрия Вселенной), одним из важнейших свойств ранней Вселенной.

В ходе эволюции Вселенной мелкомасштабные адиабатические флуктуации испытывают сильное затухание. В космологических моделях, в которых предполагается, что в настоящее время основной вклад в плотность вещества дают барионы, это затухание происходит на стадии ионизованного водорода и вызвано диссипативным взаимодействием водородно-гелиевой плазмы с фотонами, заполняющими Вселенную. Граничный масштаб адиабатических флуктуаций, испытывающий затухание, если определять его массой вовлеченных во флуктуацию барионов M_d зависит от атомных констант и параметров рассматриваемой космологической модели (Хаббла постоянной H₀ и безразмерной средней плотности Вселенной , см. Космология). Значение M_d оценивается по аппроксимационной формуле

где - волновое число, соответствующее масштабу затухания в спектре адиабатических флуктуаций, - средняя плотность барионов, - безразмерный параметр. Формула приближенно справедлива при 0,01< <1.

В моделях Вселенной, где по своему вкладу в массу доминируют слабовзаимодействующие частицы, обладающие массой покоя (например, электронное нейтрино с предполагаемой массой 10-100 эВ и, возможно, нестабильное), затухание мелкомасштабных адиабатических флуктуаций вызвано эффектом перемешивания - аналог Ландау затухания - на стадии, когда слабовзаимодействующие частицы были релятивистскими. Граничный масштаб затухания где - т. н. планковская масса. В случае электронных нейтрино .

Информация об адиабатических флуктуациях, существовавших в эпоху рекомбинации водорода (при , где z - красное смещение), сохраняется в угловых флуктуациях температуры микроволнового фонового излучения . Поэтому данные наблюдений величины позволяют оценить верхние пределы амплитуды адиабатических флуктуаций разных масштабов в эпоху рекомбинации. По-видимому, амплитуда адиабатических флуктуаций в масштабах то время составляла 0,1%.