Darks materiāls un tumšā enerģija Visumā. 3. Universe pagātnē

Darkness un tumšā enerģija Visumā

Valērijs Anatolievich Rubakovs
Kodolpētījumu institūta RAS, Maskava, Krievija

Lekcijas prezentācija (pdf, 2 Mb)

Lejupielādēt video (avi): 1. daļa (180 MB), 2. daļa (210 MB), 3. daļa (250 MB)

  • 1. Ievads
  • 2. Paplašinot Visumu
  • 3. Universe pagātnē
  • 4. Enerģiju līdzsvars mūsdienu pasaulē
  • 5. Tumšā viela
  • 6. Tumša enerģija
  • 7. Secinājums

3. Universe pagātnē

Ļaujiet mums pārrunāt divus Visuma attīstības posmus, par kuriem šodien ir pieejami ticami novērojumu dati. Viens no tiem, salīdzinoši nesenais, ir posms, kad materiāls pāriet no Universitātes uz plazmas stāvokli gāzveida stāvoklī. Tas notika temperatūrā 3000 grādu, un Universitātes vecums līdz šim bija 300 tūkstoši gadu (diezgan mazliet salīdzinājumā ar pašreizējiem 14 miljardiem gadu). Pirms tam elektroni un protoni tika pārvietoti atsevišķi viens no otra, viela bija plazma. Temperatūrai 3000 grādu temperatūrā elektroni un protoni apvienojās ūdeņraža atomos, un Visums bija piepildīta ar šo gāzi. Ir svarīgi, lai plazma būtu necaurspīdīga pret elektromagnētisko starojumu; Fotoni tiek izstaroti visu laiku, absorbēti, izkaisīti ar plazmas elektroniem. Gāze, gluži pretēji, ir pārredzama.Tātad elektromagnētiskais starojums, kas nāca pie mums ar 2,7 grādu temperatūru, brīvi pārvietoja Visumu no plazmas-gāzes pārejas brīža, kopš tā laika atdzisusi (saasinājusies) 1100 reizes, pateicoties Visuma paplašināšanai. Šis relikvijas elektromagnētiskais starojums saglabāja informāciju par Universes stāvokli plazmas gāzes pārejas laikā; ar tās palīdzību mums ir universitātes fotogrāfija (burtiski!) 300 gadu tūkstošu gadu vecumā, kad tā temperatūra bija 3000 grādu.

No šī relikvijas elektromagnētiskā starojuma temperatūras mērīšana dažādi virzieni debesīs mēs noskaidrot, kuras vietas ir siltākas vai vēsākas (un līdz ar to blīvākas vai plānākas) nekā vidēji Visumā, un vissvarīgāk, cik daudz tās ir siltākas vai vēsākas. Šo mērījumu rezultāts ir tāds, ka Universitāte 300 gadu vecumā bija daudz viendabīgāka nekā šodien: temperatūras un blīvuma izmaiņas bija mazākas par 10-4 (0,01%) no vidējā. Tomēr šīs variācijas pastāvēja: no dažādiem virzieniem elektromagnētiskais starojums nāk no nedaudz atšķirīgām temperatūrām. Tas ir parādīts attēlā. 3, kas attēlo temperatūras sadalījumu padebess sfēra (agrīnās visuma fotogrāfija), no kuras atņem vidējā temperatūra 2,725 grādos pēc Kelvina; aukstāki apgabali tiek rādīti zilā krāsā, siltākas vietas – sarkanā krāsā4.

Fotogrāfija parādīta uz rīsi 3, noveda pie vairākiem svarīgiem un negaidītiem secinājumiem. Pirmkārt, viņš atļāva konstatēt, ka mūsu trīsdimensiju telpa ar labu precizitātes pakāpi ir Eiklīda jēga: trijstūra leņķu summa ir 180 grādi pat trijstūrim ar malām, kuru garums ir salīdzināms ar Visuma redzamās daļas lielumu, t.i., salīdzināms ar 14 miljardu gaismu gadiem Vispārīgi runājot, vispārējā relativitātes teorija pieņem, ka telpa nedrīkst būt Eiklida, bet izliekta; Novērojumi liecina, ka tas tā nav (vismaz mūsu Universitātes reģionā). Metode "trīsstūra leņķu summas" mērīšanai kosmoloģiskajā attāluma skalā ir šāda. Ir iespējams ticami aprēķināt teritoriju raksturīgo telpisko izmēru, kur temperatūra atšķiras no vidējā: pārejas laikā plazmas-gāzes šis lielums tiek noteikts pēc Visuma vecuma, tas ir, proporcionāls 300 tūkstošiem gaismas gadu. Novērotais leņķiskais izmērs šajos reģionos ir atkarīgs no trīsdimensiju telpas ģeometrijas, kas ļauj konstatēt, ka šī ģeometrija ir Eiklida.

Attiecībā uz Ekumīda ģeometriju trīsdimensiju telpā, vispārējā relativitātes teorija nepārprotami savieno Universitātes izplešanās ātrumu ar kopējo visu veidu enerģijas blīvumskā arī Ņūtonas teorijā par Zemes rotācijas ap Sauli ātrumu nosaka Saules masa. Izmērītais izplešanās ātrums atbilst kopējam enerģijas blīvumam mūsdienu pasaulē.

Masas blīvuma izteiksmē (jo enerģija ir saistīta ar masu par E = ms2) šis skaitlis ir

Ja enerģiju Visumā pilnībā noteica parastā materiāla atpūsta enerģija, tad vidēji Universitātē vidēji būs 5 protoni kubikmetrā. Tomēr mēs redzēsim, ka parastais jautājums Visumā ir daudz mazāks.

Otrkārt, no foto rīsi 3 jūs varat iestatīt, kas bija lielums (amplitūda) neviendabīgums temperatūra un blīvums agrīnā Visumā – tas bija 10-4-10-5 no vidējiem rādītājiem. No šiem blīvuma neviendrinājumiem radās galaktiku un galaktiku kopas: reģioni ar lielāku blīvumu, kas gravitācijas spēku dēļ piesaistīja apkārtējo vielu, kļuvuši vēl blīvākas un galu galā izveidojušās galaktikas.

Tā kā sākotnējie blīvuma nehomogenitātes ir zināmas, var aprēķināt galaktiku veidošanos, un rezultātu var salīdzināt ar novēroto galaktiku izplatību Universe. Šis aprēķins atbilst novērojumiem tikai tad, ja tiek pieņemts, ka papildus parastajai vielai Visumā ir vēl viens jautājums: tumšā viela, kuras ieguldījums kopējā enerģijas blīvumā šodien ir aptuveni 25%.

Zīm. 4

Vēl viens Visuma attīstības posms atbilst pat agrākiem laikiem, no 1 līdz 200 sekundēm (!) No Lielā sprādziena brīža, kad Universes temperatūra sasniedza miljardus grādu. Šajā laikā Visuma laikā radās termiskās reakcijas, līdzīgas tām, kas parādījās Saules centrā vai termiskās kodolbumā. Šo reakciju rezultātā daļa protonu, kas saistīti ar neitroniem un veidotie vieglie kodi – hēlijs, deitērijs un litija-7 kodols. Veidotu vieglo kodolu skaitu var aprēķināt, jo vienīgais nezināms parametrs ir protonu skaits Universitātē (tas, protams, samazinās, pateicoties Universes paplašināšanai, bet tā vērtības dažādos laikos ir vienkārši savienotas viens ar otru).

Šī aprēķina salīdzinājums ar novēroto gaismas elementu skaitu Visumā ir dots rīsi 4: līnijas norāda teorētisko aprēķinu rezultātus atkarībā no viena parametra – parastās vielas bloka (bārioniem) un taisnstūri – novērošanas dati. Ir ievērojams, ka ir vienošanās par visiem trim viegliem kodoliem (hēlijs-4, deitērijs un litijs-7); Ir vienošanās ar datiem par fona starojumu (parādīts vertikālā joslā 4.attēlā, ko norāda MW – Cosmic Microwave Background). Šis nolīgums norāda, ka vispārējā relativitātes teorija un labi zināmie kodolfizikas likumi pareizi apraksta Visumu vecumā no 1 līdz 200 sekundēm, kad jautājums tajā bija par miljardiem grādiem un vairāk. Mums ir svarīgi, lai visi šie dati novestu pie secinājuma, ka mūsdienu Visumā ir parasta materiāla masas blīvums

tas ir, parastā viela rada tikai 5% no kopējā enerģijas blīvuma Universe.


4 Satelīta WMAP novērojumi.


Like this post? Please share to your friends:
Darkness un tumšā enerģija Visumā ">
Atbildēt

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: