 |
Астронет: К. А. Постнов/ГАИШ Отголоски шума ранней Вселенной в пространственном распределении галактик http://variable-stars.ru/db/msg/1168334 |
26.05.2001 17:31 | К. А. Постнов/ГАИШ, Москва
Без преувеличения можно сказать, что в последние годы изучение реликтового микроволнового фона и его угловых флюктуаций принесло наибольшее количество блестящих результатов в космологии. Прошел всего лишь год после публикации результатов превосходных балонных экспериментов MAXIMA и BOOMERANG (Melchiori et al ApJ 536, L63 (2000), измеривших спектр флюктуаций реликтового излучения в масштабах менее градуса. Недавно появились новые данные экспериментов QMASK (Xu et al. 2001, astro-ph/0104419) и DASI (Halverson et al., 2001, astro-ph/0104489). Эти эксперименты однозначно показали, что пространственные сечения нашей Вселенной имеют топологию почти плоского Евклидова пространства (ограничения на радиус кривизны порядка размера современного горизонта), а основная доля энергии во Вселенной сосредоточена в Темной Энергии (космологической постоянной или квинтэссенции), эффективно создающей антигравитацию и определяющей ускоренное расширение Вселенной в современную эпоху. Ускоренное расширение Вселенной независимо установлено по измерению блеска далеких сверхновых типа Ia, которые можно считать источниками постоянной мощности (стандартные свечи) (см. недавнюю заметку С.И.Блинникова на этом сайте).
В конце мая появилась очень интересная работа Криса Миллера, Роберта Нихола
(Университет Карнеги Меллон, Питтсбург, США) и Дэвида Батуски (Университет
Мэйн, Ороно, США) (будет опубликована в журнале Сайенс, см,
astro-ph/0105423),
в которой изучаются осцилляции в крупномасштабном
распределении галактик. Мотивация работы проста. Согласно модели горячей Вселенной,
мы наблюдаем
флюктуации температуры реликтового фона, которые есть просто "отпечаток"
акустических колебаний первичной плазмы в эпоху рекомбинации, которой
соответствует красное смещение 
(примерно 100000 лет после
начала расширения).
Колебания плазмы в свою очередь вызваны первичными квантово-механическими
флюктуациями, которые неизбежно должны присутствовать на очень ранней
(квантово-гравитационной) стадии эволюции Вселенной. До эпохи
рекомбинации вещество находилось в состоянии, представляющем собой смесь
фотонов,
электронейтральной водродно-гелиевой плазмы и темного вещества.
Под действием гравитационной неустойчивости области повышенной плотности
стремились сжиматься, но давление фотонов было столь велико, что
в плазме возникали акустические колебания (как в обычной сплошной
среде). Именно эти акустические осцилляции (их еще называют Сахаровскими
осцилляциями, в честь А.Д. Сахарова, впервые теоретически предсказавшего их
существование в 1965 г.) и наблюдаются в угловом спектре реликтовых
флюктуаций, измеренном в указанных выше экспериментах.
Рост возмущений, приведший к образованию наблюдаемых структур во Вселенной (галактик и скоплений галактик), начался только после эпохи рекомбинации в "холодном" нейтральном веществе, прозрачном для излучения, в котором давление фотонов перестало играть существенную роль. Поскольку вещество и излучение до эпохи рекомбинации было тесно "сцеплено" между собой из-за Томсоновского рассеяния фотонов на свободных электронах плазмы, "портрет" осцилляций должен был бы быть запечатлен в колебаниях плотности вещества, которые впоследствии и создали наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной. Заметим, что нужно брать достаточно большие масштабы - более 50 Мпк, так как в меньших масштабах осцилляции плотности просто "замыты" локальными движениями галактик и скоплений.
Миллер, Нихол и Батуски проанализировали пространственный спектр флюктуаций распределения галактик и скоплений галактик по данным нескольких каталогов, данные в которых позволяют достаточно полно описать структуру до размеров областей с размерами в гигапарсек. Было обнаружено, что спектр пространственных флюктуаций наблюдаемой плотности вещества в нашу эпоху (на красных смещениях порядка 0.1) ясно свидетельствует о колебаниях, и более того, из этих данных был восстановлен спектр этих колебаний (зависимость от масштаба). Результат приведен на рисунке (правая часть).
Далее авторы взяли стандартную космологическую модель и определили, при
каких параметрах должна получаться такая картина крупномасштабных
флюктуаций плотности. Эти параметры (полная плотность вещества в
единицах критической плотности,
,
плотность барионного вещества в
единицах критической плотности,
и показатель наклона пространственного спектра первичных
флюктуаций
) находятся в отличном
согласии с независимыми определениями из других данных. Единственный важный
параметр, который не определяется из флюктуаций плотности - вклад
в полную плотность энергии вакуума (темной энергии,
космологической постоянной или квинтэссенции),
.
Но его можно взять из независимых наблюдений современной
динамики расширения Вселенной по сверхновым типа Ia, согласно
которым
,
Таким образом, наблюдения крупномасштабной структуры на
красных смещениях 
в сочетании с данными о динамике
расширения Вселенной на позволяют восстановить,
каким должен был бы быть "портрет" акустических колебаний плазмы в эпоху
рекомбинации на 
! Результат - см. левую часть Рисунка,
на котором приведен измеренный
спектр угловых флюктуаций реликтового излучения -
просто поразителен: сплошная кривая не является наилучшим описанием
наблюдательных данных, она получена теоретически из стандартной
космологической модели горячей Вселенной с приведенными выше параметрами.
Обращает на себя внимание факт наличия второго и третьего пика в спектре угловых осцилляций, однозначно подтверждающих современные представления об изначальной фазовой скоррелированности флюктуаций. Это могло быть только если в очень ранней Вселенной существовала эпоха очень быстрого (квази-экспоненциального) расширения (модель инфляционной Вселенной).
|
Рисунок 1.
Справа: пространственный спектр флюктуаций плотности,
построенный по данным о галактиках и их скоплениях. Сплошная линия -
наилучшая аппроксимация в космологической модели с параметрами, указанными в
тексте.
|