kosmologiya

Soderzhanie:

1. Vvedenie
2. Nablyudatel'nye osnovy sovremennoi kosmologii
3. Usrednennoe raspredelenie materii. Zakony dvizheniya i fizicheskie svoistva
4. Strukturnost' vo Vselennoi i ee proishozhdenie
5. Ochen' rannyaya Vselennaya

1. Vvedenie

Kosmologiya - fiz. uchenie o Vselennoi kak celom, osnovannoe na nablyudatel'nyh dannyh i teoretich. vyvodah, otnosyashihsya k ohvachennoi astronomich. nablyudeniyami chasti Vselennoi. Teoretich. fundament K. sostavlyayut osn. fiz. teorii (teoriya tyagoteniya, teoriya el.-magn. polya, kvantovaya teoriya i dr.), empiricheskie svedeniya predostavlyayutsya ei gl. obr. vnegalakticheskoi astronomiei, a ee vyvody i obobsheniya imeyut bol'shoe obshenauchnoe i filosofskoe znachenie.

Vazhnuyu rol' v K. igraet tyagotenie, t. k. imenno ono opredelyaet vzaimodeistvie mass na bol'shih rasstoyaniyah, harakternyh dlya K., a sledovatel'no i dinamiku kosmich. materii. Naryadu s izucheniem dinamiki kosmich. materii K. rassmatrivaet ee sovr. fiz. sv-va, a takzhe ih evolyuciyu.

Veshestvo, vhodyashee v sostav zvezd, galaktik, mezhgalaktich. gaza i t. p., v proshlom imelo inye sv-va. Ono proshlo, soglasno sovr. kosmologich. predstavleniyam, stadiyu chrezvychaino vysokih plotnostei i temp-r, eshe nedostupnyh eksperimental'noi fizike. Eta stadiya otstoit ot sovremennoi na 10 - 20 mlrd. let. Po-vidimomu, v to vremya pervichnaya materiya byla raspredelena odnorodno i izotropno, bez vydelennyh oblastei ili napravlenii, i nahodilas' v sostoyanii povsemestnogo rasshireniya, vedushego k umen'sheniyu plotnosti i temp-ry. Pri temp-rah 10¹²-10¹¹ K harakternoe vremya rasshireniya (napr., vremya umen'sheniya temp-ry vdvoe) sostavlyalo tysyachnye doli sekundy. Pri ponizhenii temp-ry do ~10¹¹ K plotnost' materii (vklyuchaya izluchenie, chasticy i antichasticy) dolzhna byla umen'shit'sya do plotnosti yadernogo veshestva. S etogo momenta evolyucii stanovitsya vozmozhnym izuchenie sv-v materii na osnove tverdo ustanovlennyh yadernoi fizikoi faktov i razvitoi teorii.

Epoha, sootvetstvuyushaya temperature T » 10¹⁰-10⁸ K i vremeni rasshireniya t ~1 s, yavl., veroyatno, naibolee rannei, o k-roi est' pryamye nablyudatel'nye svidetel'stva. V tu epohu dolzhno bylo proishodit' obrazovanie yader geliya, deiteriya i dr. legkih elementov iz protonov i neitronov. Soderzhanie etih elementov v sovr. kosmich. veshestve soglasuetsya s raschetnymi znacheniyami, chto govorit o kosmologich. proishozhdenii legkih elementov (tyazhelye elementy sinteziruyutsya v zvezdah).

Posle obrazovaniya yader legkih elementov (t ~100 s) veshestvo eshe dlitel'noe vremya (ok. 1 mln. let) predstavlyalo soboi plazmu. V termodinamicheskom ravnovesii s plazmoi nahodilos' izluchenie (temp-ra veshestva, t. e, protonov, elektronov, yader legkih elementov, byla ravna temp-re izlucheniya, spektr izlucheniya - plankovskii, sm. Planka zakon izlucheniya). Vysokie plotnost' i temp-ra izlucheniya ne pozvolyali obrazovyvat'sya neitral'nym atomam (bylo mnogo fotonov, sposobnyh ionizovat' veshestvo). Posle snizheniya temp-ry do T = 4000 K elektrony smogli prisoedinit'sya k yadram elementov - nastupila t. n. epoha razdeleniya veshestva i izlucheniya (ne sovsem tochno, no koroche ee naz. epohoi rekombinacii). Fotony perestali aktivno vzaimodeistvovat' s veshestvom, nachali rasprostranyat'sya svobodno i nablyudayutsya seichas v vide ravnovesnogo mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya (reliktovogo izlucheniya).

Veroyatno, uzhe na samyh rannih stadiyah evolyucii Vselennoi sushestvovali neznachitel'nye otkloneniya ot odnorodnosti i izotropii. V poslerekombinacionnuyu epohu vozmusheniya odnorodnosti i izotropii stali narastat' blagodarya gravitacionnoi neustoichivosti. Polagayut, chto imenno takie malye vozmusheniya plotnosti veshestva priveli v konce koncov k obrazovaniyu nablyudaemoi seichas prostranstvennoi struktury v vide galaktik i ih skoplenii.

Sovr. Vselennaya harakterizuetsya vysokoi stepen'yu odnorodnosti i izotropii lish' v bol'shih masshtabah, vklyuchayushih mnogo skoplenii galaktik, a v men'shih masshtabah, tipichnyh dlya otdel'nyh galaktik i skoplenii,- sil'noi neodnorodnost'yu i anizotropiei. Po etim prichinam K. razvivaetsya v dvuh napravleniyah. Odno iz nih, ishodya iz principov odnorodnosti i izotropii, opisyvaet krupnomasshtabnuyu strukturu sovr. Vselennoi, ee evolyuciyu i fiz. processy v rannei Vselennoi. Vtoroe napravlenie uchityvaet skol' ugodno bol'shie otkloneniya ot odnorodnosti i izotropii (ego naz. takzhe teoriei anizotropnoi neodnorodnoi Vselennoi), ono plodotvorno ispol'zuetsya pri opisanii razvitiya i obrazovaniya melkomasshtabnoi struktury Vselennoi.

Teoretich. osnovoi dlya opisaniya evolyucii veshestva i gravitac. polya yavl.: relyativistskaya (nekvantovaya) teoriya tyagoteniya i kvantovaya teoriya veshestva i izlucheniya. Pervaya iz nih opisyvaet mehanich. dvizhenie materii, vtoraya - processy izlucheniya i poglosheniya sveta, rozhdeniya i annigilyacii chastic i antichastic, yadernye reakcii i t. p. Predpolozhenie ob odnorodnosti i izotropii raspredeleniya pervichnoi materii nahodit svoe otrazhenie v modelyah odnorodnoi izotropnoi rasshiryayusheisya Vselennoi. Ih nazyvayut fridmanovskimi kosmologich. modelyami, poskol'ku pervye modeli nestacionarnoi Vselennoi byli predlozheny v 1922 g. sovetskim uchenym A. A. Fridmanom na osnove obshei teorii otnositel'nosti (teorii tyagoteniya) A. Einshteina. V etih modelyah rasshirenie Vselennoi nachinaetsya ot sostoyaniya, harakterizuyushegosya beskonechnoi plotnost'yu veshestva (ot singulyarnosti). Sv-va veshestva v etom sostoyanii neizvestny. Sushestvuyushie teorii veshestva i gravitac. polya primenimy k veshestvu, plotnost' k-rogo men'she r_Pl = ~10⁹³ g/sm³, a temp-ra nizhe T_Pl = ~ 10³² K. Eti znacheniya r i T nosyat nazvanie plankovskih. Oni polucheny iz fundamental'nyh fiz. postoyannyh: skorosti sveta s, gravitacionnoi postoyannoi G, Planka postoyannoi h i Bol'cmana postoyannoi k. Soglasno fridmanovskim kosmologich. modelyam, znacheniya T_Pl i r_Pl harakterny dlya Vselennoi, imeyushei vozrast t ~ t_Pl = ~10³² s. V etu epohu fiz. usloviya takovy, chto dlya ih opisaniya potrebuetsya eshe ne sozdannaya kvantovaya teoriya tyagoteniya.

2. Nablyudatel'nye osnovy sovremennoi kosmologii

Mir galaktik. V horosho issledovannoi oblasti prostranstva, na rasstoyaniyah do 1500 Mpk, nahoditsya nesk. milliardov zvezdnyh sistem - galaktik. Takim obrazom, nablyudaemaya oblast' Vselennoi (ee naz. takzhe Metagalaktikoi) - eto prezhde vsego mir galaktik. Bol'shinstvo galaktik vhodit v sostav grupp i skoplenii, soderzhashih desyatki, sotni i tysyachi chlenov. Nasha Galaktika prinadlezhit k Mestnoi gruppe galaktik, k-raya v svoyu ochered' primykaet k skopleniyu galaktik s centrom v napravlenii sozvezdiya Devy. Skoplenie galaktik v Deve soderzhit bolee tysyachi chlenov i imeet razmer » 3 Mpk, rasstoyanie do nego » 20 Mpk. Mestoraspolozhenie nashei Galaktiki takovo, chto raspredelenie blizhaishih galaktik vyglyadit anizotropnym - s yarko vyrazhennym prevysheniem chisla galaktik v napravlenii Devy po sravneniyu s chislom galaktik, nablyudaemyh v protivopolozhnom napravlenii. Odnako eta anizotropiya ischezaet po mere perehoda k podschetu vse bolee slabyh i, sledovatel'no, vse bolee dalekih galaktik.

S cel'yu vyyasneniya zakonomernostei prostranstvennogo raspredeleniya galaktik proizvodilis' podschety chisla galaktik v raznyh napravleniyah na nebesnoi sfere i do raznoi "glubiny", t. e. do vse bol'shih vidimyh zvezdnyh velichin. Soglasno nablyudeniyam, dlya galaktik slabee 14-i zvezdnoi velichiny i vplot' do predel'no slabyh galaktik, dostupnyh sovr. teleskopam (ok. 24^m), svoistvenno odnorodnoe prostranstvennoe raspredelenie. Vo vsyakom sluchae v ob'emah s harakternym razmerom ~ 100 Mpk, gde soderzhitsya mnogo skoplenii galaktik, sr. plotnost' r veshestva ("razmazannogo" veshestva galaktik) prakticheski sovpadaet so sr. znacheniem r po vsemu obsledovannomu prostranstvu - ob'emu s radiusom v neskol'ko tys. Mpk (» 3^.10^-31 g/sm³ s vozmozhnoi pogreshnost'yu v nesk. raz v tu ili druguyu storonu).

Krome veshestva, obrazuyushego zvezdy galaktik, v Metagalaktike est' dr. vidy veshestva i izlucheniya: neitral'nyi i ionizovannyi gaz (prezhde vsego v skopleniyah galaktik, a takzhe i mezhdu skopleniyami), pyl', kosmich. luchi i slabye magn. polya, ochen' vazhnym komponentom yavl. t. p. reliktovoe radioizluchenie (sm. p. 3). Vklad etih vidov veshestva i izlucheniya v obshuyu plotnost' energii neznachitelen. Neizvesten vklad v plotnost' energii teh vidov materii, k-rye slabo vzaimodeistvuyut s obychnym veshestvom i, sledovatel'no, trudno poddayutsya obnaruzheniyu. Osobenno vazhnym bylo by ustanovlenie plotnosti energii neitrino (bezmassovyh ili obladayushih massoi pokoya), a takzhe gravitac. voln. V mezhgalaktich. prostranstve mogut prisutstvovat' takzhe drugie, eshe ne obnaruzhennye ili dazhe poka neizvestnye vidy materii.

Odnorodnost' raspredeleniya vseh vidov materii v Metagalaktike podtverzhdaetsya podschetami dalekih radioistochnikov (oni ravnomerno zapolnyayut prostranstvo), malost'yu pekulyarnyh (t. e. sluchainyh, za vychetom sistematicheskih) skorostei galaktik, ne vhodyashih v gruppy i skopleniya, izotropiei rentg. fonovogo izlucheniya, k-roe predstavlyaet soboi izluchenie mnozhestva diskretnyh istochnikov. Nakonec, naibolee ubeditel'no svidetel'stvuet o krupnomasshtabnoi odnorodnosti veshestva i gravitac. polya vysokaya stepen' izotropii reliktovogo radioizlucheniya.

Opirayas' na eksperimental'no ustanovlennuyu odnorodnost' prostranstvennogo raspredeleniya skoplenii galaktik i dr. vidov veshestva i izlucheniya, K. rassmatrivaet Metagalaktiku kak sploshnuyu sredu, imeyushuyu odnorodnuyu plotnost', po velichine ne men'shuyu, chem plotnost' "razmazannogo" veshestva galaktik. Takoe predstavlenie o krupnomasshtabnoi strukture Vselennoi prigodno, po krainei mere, v kachestve pervogo priblizheniya.

Nestacionarnost' Vselennoi. Na nestacionarnost' okruzhayushego mira ukazyvaet evolyuciya zvezd i zvezdnyh skoplenii, processy tipa vzryvov i istecheniya veshestva iz zvezd i yader galaktik. Nestacionarnost' nablyudaemoi chasti Vselennoi proyavlyaetsya v ee rasshirenii, chto ustanovleno po sistematich. dvizheniyu dalekih galaktik.

Spektr. linii v spektrah dalekih galaktik smesheny po sravneniyu s polozheniem teh zhe linii, poluchennyh v laboratornyh usloviyah na Zemle, k krasnomu koncu spektra. Otnositel'noe izmenenie dliny volny spektr. linii (t. n. krasnoe smeshenie)

z = (l - l₀)/l₀,        (1)

gde l₀ - laboratornaya dlina volny, l- dlina volny smeshennoi linii v spektre dalekoi galaktiki. Znachenie z dostigaet 3,5 dlya dalekih kvazarov. Krasnoe smeshenie spektr. linii ob'yasnyaetsya Doplera effektom, obuslovlennym dvizheniem istochnika sveta v napravlenii ot nablyudatelya. Pri skorosti istochnika sveta v << s otnositel'noe izmenenie chastoty z » v/c. T. o., po izmerennomu z mozhno opredelit' luchevuyu skorost' udaleniya ("razbeganiya") galaktik. Krasnoe smeshenie, nablyudaemoe v spektrah vseh dalekih galaktik dlya vseh napravlenii na nebe, ukazyvaet, chto galaktiki udalyayutsya ot nashei Galaktiki i drug ot druga. Eto dvizhenie yavl. osnovnym, obshim. Na nego nakladyvayutsya malye sluchainye (pekulyarnye) dvizheniya otdel'nyh galaktik.

Rasshirenie (nestacionarnost') Metagalaktiki bylo nadezhno ustanovleno posle togo, kak amer. astronom E. Habbl v 1929 g. vyvel iz dannyh nablyudenii zakon proporcional'nosti mezhdu velichinoi z i rasstoyaniem do dalekoi galaktiki r (sm. Habbla zakon):

z = H^.r/c        (2)

Otsyuda sleduet, chto chem dal'she raspolozhena galaktika, tem s bol'shei radial'noi (luchevoi) skorost'yu ona dvizhetsya:

v = H^.r        (3)

Koeff. proporcional'nosti N naz. postoyannoi Habbla. Znachenie N ne zavisit ot napravleniya na nebesnoi sfere i ot rasstoyaniya do galaktiki. Po sovr. ocenkam, velichina N ravna ot 50 do 100 km/s na 1 Mpk. Obratnaya velichina imeet razmernost' vremeni i ravna t_H = 1/H » 10-20 mlrd. let.

Ris. 1. Proporcional'nost' logarifma skorosti udaleniya galaktik lg v = lg (cDl/l) ih vidimoi zvezdnoi velichine m = M + 5lg r - 5, gde M - abs. zvezdnaya velichina, r - rasstoyanie do galaktik, v i s v km/s (zakon Habbla).

Zakon (2) proveren dlya bol'shogo chisla galaktik, vklyuchaya samye dalekie iz nablyudaemyh. Zakon (3) bolee tochno vypolnyaetsya ne dlya otdel'nyh galaktik, a dlya ih skoplenii, t. k. pri etom usrednyayutsya sluchainye skorosti otdel'nyh galaktik skopleniya. Dispersiya skorostei galaktik v skoplenii mozhet dostigat' 1000 km/s, odnako centry skoplenii i grupp galaktik, a takzhe individual'nye galaktiki, ne vhodyashie v gruppy i skopleniya, podchinyayutsya zakonu (3) s tochnost'yu » 15% (ris. 1). Sluchainye skorosti, dopolnitel'nye k obshemu habblovskomu rasshireniyu, ne prevyshayut u nih, veroyatno, 50-100 km/s. Edinstvennym obnaruzhennym poka sistematich. dvizheniem, dopolnitel'nym k habblovskomu, yavl. dvizhenie galaktik Mestnoi gruppy v napravlenii skopleniya galaktik v Deve so skorost'yu (610±50) km/s.

Vazhnym nablyudaemym faktom yavl. otsutstvie zavisimosti postoyannoi Habbla N ot uglovyh peremennyh i ot r. Izotropiya rasshireniya, t. e. nezavisimost' nablyudaemoi kartiny rasshireniya ot napravleniya na nebesnoi sfere, rassmatrivaemaya sama po sebe, oznachaet sferich. simmetriyu s centrom v tochke nablyudeniya. Otsutstvie zavisimosti N ot r oznachaet bol'shee - odinakovost' nablyudaemoi kartiny v raznyh tochkah nablyudeniya, t. e. odnorodnost' Vselennoi. Polozhenie zemnogo nablyudatelya nichem ne vydeleno. Nablyudatel' mozhet nahodit'sya na odnoi iz udalyayushihsya galaktik, i dlya nego zakon rasshireniya takzhe budet opisyvat'sya f-loi (3). Deistvitel'no, perehod k dvizhusheisya sisteme koordinat s centrom v tochke A proizvoditsya po f-lam: r' = r - r_A, v' = v - v_A . Otnositel'no novoi (shtrihovannoi) sistemy koordinat zakon (3) imeet vid v' = v - v_A = Nr - Nr_A = Nr', t. e. prezhnii vid v = Nr'.

Otsutstvie vydelennyh napravlenii na nebesnoi sfere osobenno nadezhno podtverzhdaetsya izotropiei temp-ry reliktovogo radioizlucheniya. Fotony reliktovogo izlucheniya, prihodya k nam, pokryvayut rasstoyaniya, v nesk. raz prevyshayushie rasstoyaniya do dalekih galaktik, i pri etom temp-ra izlucheniya, opredelennaya dlya raznyh napravlenii, okazyvaetsya odinakovoi s tochnost'yu do desyatoi doli %.

Sleduet podcherknut', chto smeshenie z, opredelyaemoe f-loi (1), imeet fiz. smysl pri skol' ugodno bol'shih z, odnako emu mozhno sopostavlyat' skorost' udaleniya v  i soglasno ravenstvu z = v/c tol'ko pri malyh v/c i z, t. e. kogda mozhno prenebrech' z² po sravneniyu s z. Pri z l pol'zovat'sya f-loi z = v/c nel'zya. Napr., nek-rye iz kvazarov imeyut z > 2. Razumeetsya, eto ne oznachaet, chto oni udalyayutsya ot nas so skorost'yu > 2s. Soglasno spec. teorii otnositel'nosti, z stremitsya k beskonechnosti pri stremlenii skorosti istochnika k skorosti sveta (v ® c, l ® Ґ, z ® Ґ). Pri bol'shih z skazyvaetsya takzhe gravitac. smeshenie spektr. linii, obuslovlennoe gravitac. polem veshestva na puti sledovaniya sveta ot istochnika k nablyudatelyu. Polnoe opisanie yavleniya krasnogo smesheniya daet relyativistskaya K. (sm. p. 5).

Reliktovoe radioizluchenie. Mikrovolnovoe fonovoe izluchenie Vselennoi, kotoroe nazyvaetsya takzhe reliktovym izlucheniem, bylo otkryto v 1965 g. amer. astronomami A. Penziasom i R. Vil'sonom. Ot izlucheniya zvezd, galaktik i dr. astronomich. istochnikov reliktovoe izluchenie otlichaetsya dvumya vazhneishimi sv-vami: uglovoi izotropiei, t. e. odinakovoi intensivnost'yu ot vseh uchastkov neba, i plankovskoi (ravnovesnoi) formoi spektra. Ego temp-ra T » 3 K. Dlya K. vazhen kak sam fakt sushestvovaniya fonovogo radioizlucheniya, tak i vozmozhnost' issledovaniya s ego pomosh'yu fiz. processov vo Vselennoi i ee struktury.

Spektr reliktovogo izlucheniya horosho izuchen v diapazone dlin voln ot 3 mm do 21 sm. Intensivnost' reliktovogo izlucheniya v etom diapazone ne zavisit ot napravleniya na nebesnoi sfere s tochnost'yu do desyatoi doli % (uglovaya izotropiya izlucheniya). Dannye ob uglovoi izotropii neskol'ko razlichayutsya v zavisimosti ot rassmatrivaemogo uglovogo masshtaba. V melkih masshtabah (ot 3 do 150') sushestvuyut lish' ogranicheniya na vozmozhnuyu anizotropiyu v vide neravenstva dT/T < 10^-4 (gde dT - otklonenie temp-ry ot ravnovesnogo znacheniya T). V masshtabe » 30^o dT/T < (3-5)^.10^-4. Nakonec, v bol'shih uglovyh masshtabah obnaruzhena slabaya dipol'naya anizotropiya na urovne dT/T » 10^-3. Eto razlichie temp-r odnoznachno interpretiruetsya kak rezul'tat dvizheniya Solnechnoi sistemy otnositel'no fona reliktovogo izlucheniya s v » 420 km/s (sm. Dvizhenie Solnca). Temp-ra reliktovogo izlucheniya, idushego iz oblasti na nebesnoi sfere, v napravlenii k-roi dvizhetsya Solnce, neskol'ko vyshe sr. znacheniya, a iz diametral'no protivopolozhnoi oblasti neba - neskol'ko nizhe. Obnaruzheny dazhe godovye variacii temp-ry, svyazannye s dvizheniem Zemli vokrug Solnca.

Plotnost' energii ravnovesnogo reliktovogo izlucheniya sostavlyaet 5^.10^-13 erg/sm³. Izluchenie s takimi harakteristikami ne mozhet byt' izlucheniem zvezd s termoyadernymi istochnikami energii ili mnozhestva diskretnyh istochnikov (kvazarov i dr.), nahodyashihsya na kosmologich. rasstoyaniyah. V to zhe vremya interpretaciya etogo izlucheniya kak sohranivshegosya ot predshestvuyushei plotnoi i goryachei stadii razvitiya Metagalaktiki (po etoi prichine ono i bylo nazvano reliktovym) yavl. sovershenno estestvennoi i soglasuetsya s dr. eksperimental'nymi i teoretich. svedeniyami. Plankovskii harakter spektra fonovogo izlucheniya soglasuetsya s vyvodom o ego reliktovom proishozhdenii, poskol'ku v processe rasshireniya Vselennoi izluchenie so spektrom, pervonachal'no sootvetstvovavshim zakonu Planka, ostaetsya plankovskim, umen'shaetsya lish' ego temp-ra. Esli R(t) harakterizuet razmer k.-l. bol'shogo rasshiryayushegosya ob'ema v Metagalaktike, to plotnost' energii izlucheniya padaet s rasshireniem proporcional'no R^-4, poskol'ku umen'shaetsya sr. koncentraciya fotonov (~R^-3) i energiya (chastota) kazhdogo iz nih (~R^-1). Temp-ra izlucheniya ubyvaet, sledovatel'no, kak

T ~ R^-1             (4)

Na rannih stadiyah rasshireniya Vselennoi, v epohu vysokih temp-r, ne sushestvovalo neitral'nyh atomov i molekul, t. k. energiya fotonov i teplovogo dvizheniya chastic prevyshala energiyu svyazi atomov i molekul. Po etoi prichine veshestvo v celom nahodilos' v sostoyanii plazmy, i ravnovesnyi spektr reliktovogo izlucheniya sformirovalsya blagodarya vzaimodeistviyu izlucheniya s plazmoi. Kogda temp-ra plazmy i izlucheniya snizilas' do 4000 K, fotony reliktovogo izlucheniya uzhe ne mogli ionizovat' atomy. Elektrony prisoedinilis' k yadram atomov, i veshestvo v masse svoei stalo neitral'nym. S etogo perioda, k-ryi sootvetstvuet z = z_r » 1400-1500, fotony reliktovogo izlucheniya rasprostranyayutsya prakticheski svobodno. Ogromnaya velichina svobodnogo probega fotonov reliktovogo izlucheniya (milliardy svetovyh let ot akta ih poslednego rasseyaniya) yavl. prichinoi, po k-roi ono stalo effektivnym sredstvom issledovaniya krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi.

Himicheskii sostav veshestva i vozrast Metagalaktiki. Raznoobraznye metody issledovaniya (spektral'nyi analiz Solnca, zvezd i mezhzvezdnoi sredy, izuchenie sostava pervichnyh kosmicheskih luchei, him. analiz meteoritov i dr.) pozvolyayut ocenit' kosmich. rasprostranennost' him. elementov. Naibolee rasprostranen prosteishii element - vodorod. Esli rasprostranennost' vodoroda (N) prinyat' za edinicu, to otnositel'noe soderzhanie atomov geliya (⁴Ne) sostavlyaet ~10^-1, deiteriya (izotopa vodoroda) ²D ~ 10^-5. Rasprostranennost' dr. elementov eshe nizhe (sm. Rasprostranennost' elementov). Chasto rasprostranennost' elementov opisyvayut ne chislom atomov, a ih dolei v obshei masse kosmich. veshestva. Togda, soglasno nablyudeniyam, primerno 75% massy prihoditsya na vodorod i ok. 25% - na gelii. Vklad dr. elementov sushestvenno men'she. Po sovr. predstavleniyam, elementy ot ¹²S do ⁵⁶Fe obrazuyutsya v nedrah zvezd na spokoinoi stadii ih evolyucii kak produkt termoyadernyh reakcii, a bolee tyazhelye elementy - vo vzryvnyh processah tipa vspyshek sverhnovyh (sm. Sverhnovye zvezdy). Blagodarya vspyshkam (vzryvam) elementy popadayut v mezhzvezdnyi gaz.

Gelii i deiterii takzhe obrazuyutsya i sgorayut pri termoyadernyh reakciyah v zvezdah, odnako ih faktich. rasprostranennost' svidetel'stvuet o tom, chto v osnovnom oni imeyut kosmologicheskoe, dozvezdnoe proishozhdenie. Nablyudaemaya rasprostranennost' ⁴He slishkom vysoka, chtoby ee mozhno bylo ob'yasnit' tol'ko reakciyami sinteza v zvezdah. Esli predpolozhit', chto termoyadernaya reakciya prevrasheniya vodoroda v gelii yavl. edinstvennym istochnikom svetimosti zvezd nashei Galaktiki, to za vremya ~10¹⁰ let geliya obrazovalos' by primerno v 15 raz men'she, chem fakticheski nablyudaetsya. Krome togo, zvezdnyi gelii ne vybrasyvaetsya v okruzhayushee prostranstvo, t. k. na stadii obrazovaniya geliya zvezdy ne vzryvayutsya. Pryamye nablyudeniya geliya (osobenno pervichnogo, ne yavlyayushegosya produktom nukleosinteza v zvezdah) ves'ma trudny, odnako znamenatel'no, chto raznoobraznye astrofizich. metody privodyat k primerno odinakovomu znacheniyu otnositel'nogo soderzhaniya geliya, blizkomu k 25% po masse. Sledovatel'no, bol'shaya chast' geliya imeet kosmologich. prirodu. Chto kasaetsya deiteriya, to v razlichnyh yadernyh reakciyah emu legche sgoret', chem obrazovat'sya. Poetomu nablyudaemaya rasprostranennost' deiteriya est', skoree vsego, nizhnii predel ego pervichnogo (dozvezdnogo) soderzhaniya. S zadachei ob'yasneniya rasprostranennosti geliya i deiteriya uspeshno spravlyaetsya teoriya yadernogo nukleosinteza v rannei goryachei Vselennoi (sm. p. 5).

Sredi mnozhestva elementov v zemnyh porodah i kosmich. veshestve est' razlichnye radioaktivnye elementy, sposobnye k samoproizvol'nomu raspadu. Estestvenno predpolozhit', chto radioaktivnye elementy nachali voznikat' vmeste s obrazovaniem zvezd Galaktiki v processah zvezdnogo nukleosinteza. Uchityvaya kak skorost' obrazovaniya takih elementov, tak i skorost' ih raspada, po sovr. otnositel'nomu soderzhaniyu elementov udaetsya ocenit' vozrast Galaktiki (sm. Kosmohronologiya yadernaya). Po dannym o radioaktivnom raspade elementov on sostavlyaet » (11-13)^.10⁹ let. K takim zhe velichinam privodyat ocenki vozrasta zvezd na osnove teorii zvezdnoi evolyucii s nachal'nym soderzhaniem geliya »25% i vodoroda »75%, a takzhe ocenki vozrasta zvezdnyh sharovyh skoplenii. Napomnim, chto harakternoe "habblovskoe" vremya t_H ~ (10-20)^.10⁹ let.

T. o., iz vsei sovokupnosti dannyh - rasshireniya Metagalaktiki, sushestvovaniya reliktovogo izlucheniya s plankovskim spektrom, opredelenii vozrasta razlichnyh astronomich. sistem - s bol'shoi dostovernost'yu sleduet, chto 10-20 mlrd. let nazad vo Vselennoi nachalis' vazhneishie processy, razvitie k-ryh privelo k poyavleniyu nablyudaemoi nyne struktury Vselennoi. Bolee detal'noe opisanie etih processov i evolyucii Vselennoi - zadacha fiz. K., uchityvayushei vliyanie sil tyagoteniya na dinamiku veshestva.

3. Usrednennoe raspredelenie materii. Zakony dvizheniya i fizicheskie svoistva

N'yutonianskie kosmologicheskie modeli. Svoistva odnorodnosti i izotropii, k-rymi obladaet sovr. Vselennaya v bol'shih masshtabah, pozvolyayut rassmotret' ogranichennuyu sfericheski-simmetrichnuyu oblast', zapolnennuyu veshestvom, v kachestve "tipichnoi" i primenit' dlya ee opisaniya zakony nerelyativistskoi mehaniki i zakony tyagoteniya N'yutona.

Dlya vyvoda ur-nii, opisyvayushih odnorodnuyu izotropnuyu i nestacionarnuyu sistemu tyagoteyushih tel (kosmologich. model'), predpolozhim, chto v nachal'nyi moment vremeni veshestvo raspredeleno odnorodno v ob'eme sferich. formy. Pust' radial'nye skorosti chastic podchinyayutsya sootnosheniyu v = N^.r, gde H > 0, t. e. veshestvo rasshiryaetsya. Velichina N ne zavisit ot prostranstvennyh koordinat i dolzhna ubyvat' s techeniem vremeni. Deistvitel'no, dazhe pri dvizhenii po inercii, t. e. bez ucheta tormozyashego deistviya gravitacii, kogda skorost' chasticy v ostaetsya postoyannoi vdol' traektorii, r uvelichivaetsya so vremenem t, i, sledovatel'no, H ubyvaet obratno proporcional'no t. Vliyanie gravitacii ponizhaet skorost' rasshireniya, t. k. vzaimnoe prityazhenie chastic veshestva vnutri rassmatrivaemoi sfery tormozit rasshirenie. Poetomu zavisimost' N ot t slozhnee (ona budet poluchena nizhe).

Esli v nachal'nyi moment vremeni polozhenie k.-l. chasticy harakterizovalos' znacheniem r₀, to v dal'neishem ono izmenyaetsya po zakonu r (t) = r₀ R(t). Poskol'ku v = dr/dt = H(t) r, to H(t) = (1/R) ^. dR/dt. Dlya opredeleniya zavisimostei R(t) i H(t) v yavnom vide mozhno ispol'zovat' zakony sohraneniya massy i polnoi (mehanicheskoi) energii dlya rassmatrivaemogo ob'ema. Pri rasshirenii veshestva plotnost' r so vremenem padaet, no massa shara , ostaetsya neizmennoi:

= r ^. (4/3) p r³ = const            (5)

Eto ur-nie mozhno zapisat' takzhe v vide

rR³ = const            (6)

U elementa ob'ema edinichnoi massy, v chastnosti u elementa, nahodyashegosya na granice shara, kak u tela, letyashego vverh v pole tyazhesti Zemli, kinetich. energiya umen'shaetsya, a potencial'naya energiya uvelichivaetsya. Summa zhe ih - polnaya energiya e - ostaetsya postoyannoi:

e = = const            (7)

(potencial'naya energiya otricatel'na). Konstantu v ur-nii (7) mozhno zapisat' v vide: - k r₀² s²/2, gde k - postoyannaya, harakterizuyushaya polnuyu (mehanicheskuyu) energiyu elementa ob'ema edinichnoi massy. Ispol'zuya (5), ur-nie (7) mozhno perepisat' v vide:

= =             (8)

Ur-niya (6), (8) s usloviem R = 1 pri t = t₀ i pri izvestnyh r₀ = r(t₀) i H₀ = /t₀ polnost'yu opredelyayut R(t) i, sledovatel'no, vse dinamich. sv-va modeli.

V ur-niya (6) i (8) razmer shara (maks. velichina iz vseh nachal'nyh znachenii r₀ ne vhodit. Eto oznachaet, chto ur-niya ostayutsya odinakovymi kak dlya skol' ugodno malogo shara, tak i dlya skol' ugodno bol'shogo. Poetomu mozhno predpolozhit', chto oni imeyut mesto i dlya beskonechnogo prostranstva, ravnomerno zapolnennogo veshestvom.

Kachestvenno evolyuciyu modeli mozhno rassmatrivat' i ne integriruya sistemu ur-nii (6) i (8). Harakter dvizheniya lyubogo elementa ob'ema zavisit ot ego polnoi energii. Esli k < 0, to polnaya energiya polozhitel'na (kinetich. energiya bol'she potencial'noi) i vydelennyi element vse vremya budet udalyat'sya ot centra simmetrii. Sledovatel'no, pri k < 0 veshestvo budet rasshiryat'sya neogranichenno. Esli k > 0, to polnaya energiya otricatel'na i rasshirenie veshestva cherez nek-roe vremya zatormozitsya i smenitsya szhatiem. Sluchai k = 0 yavl. promezhutochnym: rasshirenie budet neogranichennym, no skorost' kazhdoi chasticy asimptoticheski stremitsya k nulyu pri t ®Ґ.

Ris. 2. Izmenenie vo vremeni otnositel'nogo rasstoyaniya mezhdu telami (masshtabnogo faktora) R dlya modeli odnorodnoi izotropnoi Vselennoi:k < 0 (r < rs) - sluchai neogranichennogo (giperbolicheskogo) rasshireniya; k = 0 (r = rs) - sluchai neogranichennogo (parabolicheskogo) rasshireniya, no skorost' rasshireniya postepenno umen'shaetsya; k > 0 (r > rs) - sluchai ogranichennogo rasshireniya, rasshirenie smenyaetsya szhatiem; na krivoi imeyutsya dve osobye tochki (singulyarnosti) O i O1; t0 - sovremennaya epoha.

Soglasno ur-niyu (8), znak k i, sledovatel'no, harakter dvizheniya materii opredelyayutsya znakom raznosti r - r_s, gde r_s = 3H²/8pG. Velichinu r_s nazyvayut kriticheskim znacheniem plotnosti. Esli r > r_s, to rasshirenie cherez nek-roe vremya prekratitsya i smenitsya szhatiem; pri r Ј r_s rasshirenie budet prodolzhat'sya neogranichenno dolgo. Velichina r_s, tak zhe kak i r, menyaetsya v hode rasshireniya, odnako znak raznosti r - r_s ostaetsya neizmennym.

Integriruya sistemu ur-nii (6), (8), mozhno naiti zavisimost' R ot t. V prosteishem sluchae (k = 0) iz ur-nii (6) i (8) sleduet:

R(t) = (6pGr₀)^1/3 t^2/3,  r(t) = , H(t) = ,

prichem nachalo otscheta vremeni vybrano tak, chtoby R = 0 pri t = 0. Vozmozhnye tipy povedeniya R(t) pri raznyh k privedeny na ris. 2.

Vyshe byli ispol'zovany zakony klassich. mehaniki i n'yutonovskoi gravitacii. Oni soderzhatsya v kachestve predel'nogo sluchaya v ur-niyah spec. i obshei teorii otnositel'nosti. Poetomu sleduet ozhidat' (i eto deistvitel'no imeet mesto), chto klassich. opisanie povedeniya veshestva v ne slishkom bol'shoi oblasti prostranstva i na ne slishkom bol'shom intervale evolyucii budet sovpadat' s relyativistskim. Bolee togo, v silu odnorodnosti kosmologich. modeli takaya oblast' mozhet byt' vybrana v lyubom meste beskonechnogo prostranstva. Sledovatel'no, klassich. fizika primenima k ogromnomu krugu yavlenii, rassmatrivaemyh K. Odnako zakony klassich. fiziki ne dayut vozmozhnosti opisat' sv-va kosmologich. modeli na predel'no bol'shih rasstoyaniyah, k-rymi, sobstvenno, i interesuetsya K. Dlya etih celei neobhodima relyativistskaya teoriya tyagoteniya.

Relyativistskaya teoriya tyagoteniya i kosmologicheskie resheniya Fridmana. Nerelyativistskaya fizika rassmatrivaet prostranstvo i vremya kak "arenu", na kotoroi razygryvayutsya fiz. processy; ona ne svyazyvaet voedino prostranstvo i vremya. Special'naya (chastnaya) teoriya otnositel'nosti ob'edinila prostranstvo i vremya v edinyi chetyrehmernyi mir - "prostranstvo-vremya". Sleduyushii shag byl sdelan v relyativistskoi teorii tyagoteniya Einshteina - obshei teorii otnositel'nosti (OTO). Soglasno OTO, raspredelenie i dvizhenie materii izmenyayut geometrich. sv-va prostranstva-vremeni i, s drugoi storony, sami zavisyat ot nih.

Vazhnoi geometrich. harakteristikoi prostranstva yavl. ego krivizna. Tak, sfera predstavlyaet soboi dvuhmernoe prostranstvo (poverhnost') s post. polozhitel'noi kriviznoi.

Trehmernye i chetyrehmernye iskrivlennye prostranstva takzhe harakterizuyutsya naborom velichin, opisyvayushih kriviznu, prichem v raznyh tochkah i po raznym (dvuhmernym) napravleniyam ona, voobshe govorya, razlichna i mozhet imet' lyuboi znak. Soglasno teorii Einshteina, gravitac. pole proyavlyaetsya kak iskrivlenie prostranstva-vremeni. Chem znachitel'nee krivizna prostranstva-vremeni, tem sil'nee gravitac. pole.

Ur-niya gravitac. polya v OTO predstavlyayut soboi sistemu desyati ur-nii. Oni svyazyvayut velichiny, k-rye harakterizuyut geometrich. sv-va prostranstva-vremeni, s velichinami, opisyvayushimi raspredelenie i dvizhenie materii. Geometricheskie sv-va opredelyayutsya desyat'yu komponentami metrich. tenzora (gravitac. "potencialami") i ih proizvodnymi do 2-go poryadka. V chislo velichin, opisyvayushih sostoyanie materii, vhodyat: plotnost' massy (odna velichina), ee impul's, ili potok massy (3 velichiny), i potok impul'sa, ili natyazheniya (6 velichin). T. o., v otlichie ot teorii tyagoteniya N'yutona, v k-roi est' odin potencial gravitac. polya, zavisyashii ot edinstvennoi velichiny - plotnosti massy, v teorii Einshteina gravitac. pole opisyvaetsya desyat'yu "potencialami" i mozhet sozdavat'sya ne tol'ko plotnost'yu massy, no takzhe potokom massy i potokom impul'sa (sm. Tyagotenie). Relyativistskaya K. vsled za relyativistskoi teoriei tyagoteniya otkazyvaetsya ot nek-ryh ponyatii klassich. fiziki i vvodit novye, svoi. Tak, utrachivaet smysl ponyatie sushestvuyushei vsegda i povsemestno inercial'noi sistemy otscheta, otnositel'no k-roi opisyvayut gravitac. pole i dvizhenie veshestva v nerelyativistskoi (i'yutonianskoi) K. Vmeste s tem vvoditsya ponyatie krivizny prostranstva-vremeni i ponyatie lokal'no-inercial'noi sistemy otscheta. V lokal'no-inercial'noi sisteme otscheta naibolee yasno proyavlyaetsya tot fakt, chto v malyh oblastyah iskrivlennoe prostranstvo-vremya malo otlichaetsya ot ploskogo prostranstva-vremeni, gde spravedlivy zakony spec. teorii otnositel'nosti.

Pervuyu kosmologich. model' popytalsya postroit' Einshtein na osnove svoih ur-nii. On ishodil iz predpolozhenii ob odnorodnosti i izotropii, naryadu s predpolozheniem o neizmennosti sv-v kosmologich. modeli vo vremeni. Statichnost' modeli dostigalas' za schet vvedeniya v ur-niya Einshteina t. n. kosmologich. chlena (L-chlena), harakterizuyushego deistvie gipotetich. sil ottalkivaniya, sposobnyh protivostoyat' silam tyagoteniya. A. A. Fridman pokazal v 1922 g., chto staticheskii mir Einshteina yavl. lish' chastnym resheniem gravitac. ur-nii dlya odnorodnyh i izotropnyh modelei, a v obshem sluchae resheniya zavisyat ot vremeni. Bolee togo, esli ne vvodit' L-chlena, to resheniya obyazany byt' zavisyashimi ot vremeni. Poskol'ku eti resheniya opisyvayut usrednennoe raspredelenie veshestva v Metagalaktike, to otsyuda sleduet vyvod o ee nestacionarnosti. V otsutstvie gradientov davleniya i lyubyh dr. sil, protivostoyashih tyagoteniyu, statichnost' sistemy nevozmozhna. Ee povedenie opredelyaetsya silami prityazheniya i nachal'nymi usloviyami. Nachal'nye usloviya mogut byt' zadany tak, chto nachal'noe rasshirenie budet libo prodolzhat'sya neogranichenno dolgo, libo smenitsya v konce koncov szhatiem. Nestacionarnye resheniya ur-nii Einshteina, osnovannye na postulatah odnorodnosti i izotropii, naz. fridmanovskimi resheniyami ili fridmanovskimi kosmologich. modelyami.

Pri vyvode sootvetstvuyushih ur-nii nablyudaemoe raspredelenie galaktik i mezhgalaktich. veshestva zamenyayut idealizirovannoi sploshnoi sredoi s plotnost'yu r i davleniem p. Svyaz' mezhdu r i p ustanavlivaetsya ur-niem sostoyaniya, k-roe na otdel'nyh uchastkah izmeneniya r i r prinimayut v vide p = arc², gde a = const. Napr., dlya pylevidnogo veshestva p = 0 (a = 0), dlya izlucheniya p = ^l/₃rc² (a = ¹/₃)- Dlya udobstva analiza protekayushih processov vybirayut t. n. soputstvuyushuyu sistemu koordinat, t. e. sistemu koordinat, k-raya sama deformiruetsya, a veshestvo otnositel'no nee ne dvizhetsya. V soputstvuyushei sisteme koordinat vse "potencialy" gravitac. polya (komponenty metrich. tenzora) opredelyayutsya cherez edinstvennuyu neizvestnuyu f-ciyu R(t), k-raya igraet rol' obshego masshtabnogo faktora. Ona ukazyvaet zakon, po k-romu menyaetsya so vremenem rasstoyanie mezhdu tochkami, imeyushimi post. znacheniya soputstvuyushih koordinat. Elementy sredy imeyut neizmennuyu raznost' soputstvuyushih koordinat i razdeleny postoyannym intervalom dl, a fiz. rasstoyanie dL(t) mezhdu etimi elementami sredy izmenyaetsya so vremenem po zakonu dL(t) = R(t)dl. Krivizna trehmernogo prostranstva takzhe opredelyaetsya f-ciei R(t). Krivizna pri nek-rom t = t* ravna k/R² (t*), gde znacheniyam k = +1, 0, -1 sootvetstvuet polozhitel'naya, nulevaya i otricatel'naya krivizna. Pri k = +1 ob'em trehmernogo prostranstva konechen i v kazhdyi moment vremeni vyrazhaetsya f-loi V = 2p²[R(t)]³.

V relyativistskoi K. izmenenie z chastoty sveta, ispushennogo v moment vremeni t s chastotoi v i prinyatogo v moment vremeni t₀ s chastotoi v₀ (sm. Krasnoe smeshenie), vyrazhaetsya f-loi:

z =              (9)

Dlya opisaniya evolyucii kosmologich. modeli neobhodimo znat' f-ciyu R(t). Ona opredelyaetsya ur-niyami Einshteina. Esli schitat' L = 0, to ur-niya Einshteina mozhno privesti k dvum nezavisimym ur-niyam:

rR³ (1 - a) = const,            (10)
            (11)

Ih sledstviem yavl. ur-nie

            (12)

yavno ukazyvayushee na rol' davleniya v sozdanii gravitac. polya (r = ars²). V etih ur-niyah "postoyannaya" Habbla H(t) opredelena kak

H(t) =            (13)

Imenno eta velichina vhodit v zakon krasnyh smeshenii, analogichnyi (2) (sm. nizhe).

Udobno vvesti parametr W = r/r_s. Pri izvestnom znachenii a f-ciya R(t) polnost'yu opredelyaetsya znacheniyami velichin W i H v k.-l. moment vremeni. V nastoyashee vremya nablyudaetsya rasshirenie Vselennoi. Harakter dal'neishei evolyucii zavisit ot velichiny W. Esli W Ј 1, to rasshirenie budet prodolzhat'sya neogranichenno dolgo, esli W > 1, to ono smenitsya szhatiem. Velichina W opredelyaet takzhe, soglasno (11), znak k, t. e. znak krivizny prostranstva soputstvuyushei sistemy otscheta. Dlya sovr. epohi r_c » 5^.10^-30 g/sm³ pri N = 50 km/(s^.Mpk). Iz podschetov chisla galaktik (a takzhe po dannym o rasprostranennosti deiteriya) sleduet, chto r < r_s i W » 0,03-0,06. Eto znachenie sootvetstvuet otkrytomu miru (k = -1) i neogranichennomu rasshireniyu Metagalaktiki. Odnako vo Vselennoi mogut prisutstvovat' ne obnaruzhennye eshe vidy materii, dayushie svoi vklad v plotnost' r (sm. Skrytaya massa). Na osnovanii vseh imeyushihsya seichas nablyudatel'nyh i teoretich. svedenii polagayut, chto W₀ ves'ma blizok k 1, tak chto k » 0.

V sluchae a = 0, t. e. r = 0, relyativistskie ur-niya (10) i (11) sovpadayut po forme s nerelyativistskimi (6) i (8). Sleduet pomnit', chto interpretaciya vhodyashih tuda velichin i sootnoshenii, vytekayushih iz etih ur-nii, sovpadaet s nerelyativistskoi lish' dlya ne slishkom protyazhennyh oblastei i promezhutkov vremeni. Odnako K. interesuetsya imenno sluchaem maksimal'no bol'shih rasstoyanii i promezhutkov vremeni. T. o., sovr. K. po neobhodimosti yavl. relyativistskoi.

V chastnosti, f-la (2) dlya svyazi rasstoyaniya i krasnogo smesheniya okazyvaetsya lish' lineinym po z chlenom razlozheniya tochnoi f-ly (9). Pri malyh z pod velichinoi r v (2) mozhno ponimat' obychnoe rasstoyanie v evklidovom prostranstve. Pri izmereniyah vnegalaktich. rasstoyanii chashe vsego ispol'zuyut svyaz' mezhdu istinnoi svetimost'yu ob'ekta l i vidimym potokom izlucheniya i libo svyaz' mezhdu ego istinnym diametrom D i vidimym uglovym diametrom J. V sootvetstvii s etim sushestvuyut ponyatiya fotometricheskogo rasstoyaniya r_F = (I/4pi)^1/2 i rasstoyaniya po uglovomu diametru r_u = D/J, prichem r_F = (1 + z)²r_u (sm. Rasstoyaniya do kosmicheskih ob'ektov). V evklidovom prostranstve i dlya nepodvizhnogo istochnika r = r_F = r_u. V relyativistskoi K. eti ravenstva vypolnyayutsya priblizhenno, tem tochnee, chem men'she z. Pol'zuyas', napr., fotometrich. rasstoyaniem, mozhno vyvesti svyaz' r_F s z, dostupnuyu proverke v nablyudeniyah dalekih galaktik i, s dr. storony, pozvolyayushuyu sudit' o parametrah kosmologich. modeli.

S uchetom kvadratichnyh po z chlenov vmesto zakona (2) iz (9) poluchayut priblizhennuyu f-lu

r_F = ,

gde q = ¹/₂ W (1 + 3a) - t. n. parametr zamedleniya, opredelyayushii skorost' tormozheniya rasshiryayusheisya Vselennoi v rassmatrivaemoi modeli.

K sozhaleniyu, imeyushihsya nablyudatel'nyh dannyh nedostatochno dlya polucheniya tochnoi zavisimosti r_F(z) i nadezhnogo opredeleniya velichiny W. Hotya v sovr. epohu a malo i im mozhno prenebrech', glavnaya neopredelennost' svyazana s tem, chto rasstoyanie r_F opredelyayut po vidimym svetimostyam ob'ektov v predpolozhenii, chto ih istinnye svetimosti izvestny. Odnako dlya dalekih ob'ektov, nablyudaemyh na rannei faze ih razvitiya, sushestvennym yavl. neizvestnyi faktor evolyucii - zavisimost' svetimosti ot vremeni. T. o., opredelenie parametra W iz nablyudenii zavisit ot neizvestnogo faktora evolyucii.

V relyativistskoi K. evolyuciya modeli opredelyaetsya ne tol'ko plotnost'yu r, no i davleniem r, t. k. davlenie (potok impul'sa materii), soglasno OTO, "vesit" - obladaet sposobnost'yu sozdavat' gravitac. pole [sm. ur-nie (12)]. V proshlom, kogda vklad reliktovogo izlucheniya v polnuyu plotnost' materii byl dominiruyushim, davlenie opredelyalos' izlucheniem: p = ¹/₃rc². Konechno, polozhitel'noe davlenie ne moglo vyzvat' nablyudaemogo rasshireniya Metagalaktiki, poskol'ku ono, v silu svoego gravitac. vozdeistviya, ne uskoryaet rasshirenie, a, naoborot, zamedlyaet ego. Kachestvenno zavisimost' R(t) pri p > 0 imeet tot zhe harakter, chto i pri r = 0 (ris. 2). Sleduet otmetit', chto seichas obsuzhdayutsya teoretich. modeli, soglasno k-rym sostoyanie materii v ochen' dalekom proshlom sootvetstvovalo znacheniyu r < 0, i togda harakter evolyucii R(t) sushestvenno menyaetsya (sm. Model' inflyacionnoi Vselennoi).

Veroyatno, samym znachit, sv-vom odnorodnyh izotropnyh modelei yavl. ogranichennost' ih evolyucii vo vremeni i nalichie osobyh (singulyarnyh) sostoyanii, v k-ryh R(t) obrashaetsya v nul', a plotnost' materii - v beskonechnost'. Odno vremya schitali, chto nalichie singulyarnostei yavl. sledstviem uproshayushih zadachu predpolozhenii ob odnorodnosti i izotropii Vselennoi. Odnako teoretich. issledovaniya ur-nii Einshteina, provedennye v poslednie dva desyatiletiya, ukazyvayut na to, chto singulyarnosti yavl. obshim sv-vom reshenii etih ur-nii pri vypolnenii nek-ryh dopolnitel'nyh predpolozhenii o sv-vah materii. Konechno, vblizi singulyarnosti resheniya klassich. ur-nii neprimenimy, tam dolzhny proyavlyat'sya kvantovye sv-va gravitac. polya.

Ogranichennost' evolyucii vo vremeni privodit k ponyatiyu vozrasta Vselennoi. V prosteishei modeli s k = 0, r = 0 iz ur-nii (10) i (11) s uchetom (13) sleduet: t₀ = ²/₃ N^-1₀, t. e. ot singulyarnosti do sovr. epohi proshlo vremya t₀ » 13^.10⁹ let.

Ris. 3. Izmenenie rasstoyaniya do gorizonta vo Vselennoi so vremenem.

Konechnost' vremeni, protekshego s momenta singulyarnosti, privodit k sushestvovaniyu t. n. kosmologicheskogo gorizonta (ili, prosto, gorizonta) vo Vselennoi. Deistvitel'no, lyubye signaly, rasprostranyayushiesya s predel'noi skorost'yu, ravnoi skorosti sveta, uspevayut priiti k nablyudatelyu k momentu t₀ s konechnogo rasstoyaniya. Maks. rasstoyanie (rasstoyanie do gorizonta) opredelyaetsya tem, chto signal byl ispushen pri t = 0 (ris. 3). Pri etom smeshenie chastoty signala, ispushennogo pri t = 0 i prinyatogo v moment t₀, soglasno f-le (9), obrashaetsya v beskonechnost' (v₀®0, z®Ґ). Naryadu s vozrastom t₀ teoriya rassmatrivaet harakternyi razmer, po poryadku velichiny sovpadayushii s ct₀, k-ryi opredelyaet oblast' prostranstva, principial'no dostupnuyu nablyudeniyam k momentu vremeni t₀. S techeniem vremeni eta oblast', ochevidno, uvelichivaetsya. Kosmologicheskii gorizont ukazyvaet, t. o., masshtab, k-ryi nado imet' v vidu, govorya o krupnomasshtabnoi strukture Vselennoi. V nastoyashee vremya ct₀ » c/H₀ » 6000 Mpk » 2^.10²⁸ sm [pri H₀ = 50 km/(s^.Mpk)]. Sovr. astronomich. nablyudeniya, esli syuda vklyuchat' i nablyudeniya reliktovogo radioizlucheniya, rasprostranyayushegosya svobodno s epohi z = z_r, ohvatyvayut znachitel'no bol'she poloviny vsego dostupnogo (v principe) dlya nablyudenii ob'ema prostranstva.

Fizicheskie processy v goryachei Vselennoi. Fridmanovskie kosmologich. modeli yavl. osnovoi dlya rascheta fiz. processov, protekavshih na razlichnyh stadiyah evolyucii Vselennoi. Sovr. plotnost' energii reliktovogo izlucheniya takova, chto v 1 sm³ prisutstvuet primerno 500 fotonov so sr. energiei ~10^-15 erg. Sr. plotnost' obychnogo veshestva r » 3^.10^-31 g/sm³ opredelyaetsya barionami (gl. obr. protonami i neitronami) s massoi ok. 10^-24 g. Chast' protonov predstavlyaet soboi yadra vodoroda, ostal'nye protony svyazany s neitronami v yadrah ⁴Ne i dr. elementov, svobodnyh neitronov net. T. o., na kazhdyi barion prihoditsya ~10⁹ fotonov. Otnoshenie chisla fotonov n_g k chislu barionov n_b v ed. ob'ema yavl. vazhnym bezrazmernym parametrom: s » n_g /n_b »10⁹. Bol'shoe znachenie velichiny s pozvolyaet nazyvat' Vselennuyu goryachei. Seichas plotnost' energii izlucheniya v nei mala, a temp-ra reliktovogo izlucheniya nizka, no v proshlom (na rannih stadiyah rasshireniya pri T > 10⁴K) plotnost' energii izlucheniya byla dominiruyushei. V takih usloviyah zavisimost' T(t) [kak vytekaet iz ur-nii (10) i (11) pri a = ¹/₃, sm takzhe (4)] opredelyaetsya f-loi

(T - v Kel'vinah, t - v sekundah).

Ris. 4. Evolyuciya veshestva i izlucheniya v modeli goryachei Vselennoi. Po nizhnei gorizontal'noi osi otlozheno vremya s momenta singulyarnosti, po verhnei-sootvetstvuyushie znacheniya krasnogo smesheniya z, po vertikal'noi osi - temperatura.

V goryachei Vselennoi pri malyh t sushestvovala epoha stol' vysokih temp-r, chto energii teplovyh fotonov bylo dostatochno dlya rozhdeniya par vseh izvestnyh chastic i antichastic. Chasticy k.-l. sorta, obladayushie massoi pokoya, rozhdayutsya i ischezayut, esli energiya fotonov prevyshaet energiyu pokoya dannogo sorta chastic. Mezhdu razlichnymi sortami chastic dlya kazhdogo znacheniya temp-ry sushestvuet svoe ravnovesnoe sootnoshenie. Eto sootnoshenie, esli ego ne bylo, ustanavlivaetsya ne srazu. Vremya, trebuemoe dlya ustanovleniya ravnovesiya, voobshe govorya, tem men'she, chem vyshe temperatura i plotnost' sredy. Po mere rasshireniya Vselennoi temperatura snizhaetsya i usloviya protekaniya reakcii rozhdeniya i annigilyacii par chastic izmenyayutsya. Esli interval temperatur, pri kotoryh protekali reakcii opredelennogo tipa, Vselennaya prohodila za nebol'shoi promezhutok vremeni, to ravnovesie podderzhivalos' tol'ko pri uslovii, chto vremya protekaniya reakcii bylo men'she harakternogo vremeni rasshireniya. V protivopolozhnom sluchae dannyi sort chastic, obladayushih massoi pokoya, vyhodit iz ravnovesiya. Posle etogo nek-roe chislo par takih chastic annigiliruet, a te iz ostavshihsya chastic, k-rye yavl. nestabil'nymi, sposobnymi k samoproizvol'nomu raspadu, raspadayutsya s techeniem vremeni po eksponencial'nomu zakonu. V zavisimosti ot temp-ry i sortov chastic, nahodyashihsya pri dannoi temperature v ravnovesii s izlucheniem, vydelyayut opredelennye epohi (ery) v evolyucii Vselennoi (ris. 4): adronnaya, leptonnaya i dr. (sm. Androny, Leptony).

Pri T ~ 10¹³K protekayut reakcii" rozhdeniya i unichtozheniya par nuklonov (protonov, neitronov) i antinuklonov, mezonov, elektronov i pozitronov, neitrino i antineitrino, a takzhe dr. ustoichivyh i neustoichivyh chastic (o sostoyanii veshestva pri bolee vysokih temperaturah sm. v razdele 5).

Pri stol' vysokih temp-rah neskol'ko inache opredelyaetsya parametr s: v f-le s » n_g/n_b, sleduet zamenit' n_b na raznost' chisel barionov i antibarionov. Odnako vo vseh processah, protekayushih na etoi i bolee pozdnih stadiyah evolyucii, raznost' chisel barionov i antibarionov (barionnyi zaryad) sohranyaetsya (sm. Barionnaya asimmetriya Vselennoi), poetomu i v te vremena znachenie s sostavlyalo ~10⁹. Po mere ponizheniya temp-ry primerno do 5^.10¹²K prekrashaetsya reakciya rozhdeniya fotonami nuklon-antinuklonnyh par, i, sledovatel'no, oni vyhodyat iz ravnovesiya. Nuklony i antinuklony v osnovnom annigiliruyut, ostayutsya tol'ko izbytochnye nuklony, dlya k-ryh ne hvatilo antichastic. Chislo izbytochnyh nuklonov sostavlyaet nichtozhnuyu chast' (~10^-9) obshego kolichestva nuklonov i antinuklonov epohi ih ravnovesiya. Imenno eti izbytochnye nuklony obrazuyut osnovu veshestva sovr. Vselennoi. Esli by ne bylo etogo nebol'shogo chisla izbytochnyh nuklonov, to mir byl by seichas prakticheski "pustym".

Pri T » 2^.10¹⁰K elektronnye neitrino perestayut effektivno vzaimodeistvovat' s chasticami. Poskol'ku neitrino stabil'ny i ochen' slabo vzaimodeistvuyut s veshestvom, mir dlya nih okazyvaetsya prakticheski prozrachnym i plotnost' ih energii umen'shaetsya tol'ko iz-za rasshireniya Vselennoi. K nastoyashemu vremeni temp-ra kosmologich. neitrinnogo gaza (reliktovyh neitrino) dolzhna byt' ok. 2K, a ego plotnost' - chislo neitrino v 1 sm³ - N » 450 (uchityvayutsya elektronnye , myuonnye i tau-neitrino i antineitrino). Poka eshe ne razrabotany metody obnaruzheniya kosmologich. neitrino.

Soglasno dannym noveishih eksperimentov, u neitrino, vozmozhno, imeetsya massa pokoya (m_v » 5^.10^-32 g). Esli eti dannye podtverdyatsya, to eto budet oznachat', chto neitrino stanovyatsya nerelyativistskimi nezadolgo do epohi rekombinacii, a ih nyneshnyaya plotnost' massy mozhet v desyatki raz prevoshodit' plotnost' neposredstvenno nablyudaemogo veshestva i dazhe dostigat' kritich. znacheniya r_c, t. e. vklad neitrino v sr. plotnost' veshestva Vselennoi mozhet sostavit' ~ m_v^.N » 2^.10^-29 g/sm³.

Ris. 5. Izmenenie so vremenem sootnosheniya mezhdu kolichestvom protonov r i neitronov n i obrazovanie 4Ne, zakanchivayusheesya cherez t » 100-200 s posle nachala rasshireniya.

Sootnoshenie mezhdu chislom protonov i neitronov v rannei Vselennoi opredelyaetsya raznost'yu ih mass Dm = m_n - m_r > 0 (Dms² = 1,3 MeV) i temp-roi. Vnachale ih bylo primerno porovnu za schet bystrogo prevrasheniya neitronov v protony i obratno po reakciyam e⁺ + n ® r + i + n ® r + e^-. Zatem chislo neitronov snizhaetsya v sootvetstvii s f-loi, opredelyayushei ravnovesie mezhdu neitronami i protonami v zavisimosti ot temp-ry (a sledovatel'no, i vremeni s nachala rasshireniya): n_n/n_r ~ ehr (-Dmc²/kT). K momentu T » 5^.10⁹K otnoshenie n_n/n_r stabiliziruetsya na urovne » 0,2. Pri snizhenii T do (1-2)^.10⁹K nachinaetsya period aktivnogo yadernogo sinteza, dlyashiisya nesk. sekund (t » 1-3 s). Vyzhivshie neitrony i ravnoe im kolichestvo protonov soedinyayutsya i obrazuyut yadra ⁴Ne (ris. 5). Soglasno raschetam, na yadra ⁴He prihoditsya ok. 25% obshei massy nuklonov. Ostal'nye 75% massy prihodyatsya na ostavshiesya protony (yadra vodoroda). Dr. elementov obrazuetsya ischezayushe malo. Napr., dolya pervichnogo deiteriya sostavlyaet ne bolee 0,01% ot obshei massy veshestva. Soderzhanie deiteriya ochen' chuvstvitel'no k znacheniyu srednei plotnosti veshestva (barionov). Chem vyshe plotnost' veshestva, tem bol'shaya dolya deiteriya sgoraet i prevrashaetsya v ⁴He. Nablyudaemoe kosmicheskoe obilie deiteriya kosvenno svidetel'stvuet o dovol'no nizkoi sovremennoi srednei plotnosti veshestva (barionov) r » 3^.10^-31 r/sm³.

Posle stadii termoyadernyh reakcii temp-ra veshestva eshe nastol'ko vysoka, chto ono nahoditsya v sostoyanii plazmy eshe ~1 mln. let, vplot' do perioda rekombinacii (T~4000 K), kogda protony prisoedinyayut elektrony i prevrashayutsya v neitral'nyi vodorod. Neskol'ko ran'she obrazuetsya neitral'nyi gelii. Iz etih pervichnyh vodoroda i geliya, nahodivshihsya v gazoobraznom sostoyanii, v dal'neishem, kak polagayut, obrazovalis' pervye zvezdy i galaktiki. Mozhet pokazat'sya, chto raschet sostoyanii veshestva dlya epoh, sostavlyayushih doli sekund i sekundy ot momenta singulyarnosti vo fridmanovskih kosmologicheskih modelyah, po men'shei mere nenadezhen. Eto vpechatlenie skladyvaetsya potomu, chto vozrast Vselennoi i dazhe Zemli ocenivaetsya grandiozno bol'shimi chislami - milliardami let. Odnako raschety v ramkah modeli goryachei Vselennoi osnovany na ves'ma obshih predpolozheniyah. Odnim iz nih yavl. predpolozhenie, chto osn. zakony fiziki (zakony termodinamiki, zakony sohraneniya elektrich. i barionnogo zaryadov i dr.) primenimy do temp-r ~10¹²-10¹³K i plotnostei ~10¹⁵ g/sm³, prevyshayushih plotnost' yadernoi materii. Vtoroe osn. predpolozhenie sostoit v primenimosti k toi epohe odnorodnyh izotropnyh kosmologicheskih modelei. Znamenatel'no, chto eti estestvennye predpolozheniya soglasuyutsya s imeyushimisya eksperimental'nymi dannymi.

4. Strukturnost' vo Vselennoi i ee proishozhdenie

Malye otkloneniya ot odnorodnosti i izotropii. Svoistva odnorodnosti i izotropii, kak pokazyvayut nablyudeniya, prisushi Metagalaktike v bol'shih masshtabah, namnogo prevyshayushih razmery galaktik i ih skoplenii (sm. Galaktiki). Dannye nablyudenii ne protivorechat predstavleniyu o tom, chto i v dalekom proshlom, v epohu, kogda veshestvo sushestvovalo v vide plazmy, usloviya odnorodnosti i izotropii, harakternye dlya fridmanovskoi kosmologich. modeli, vypolnyalis' s bol'shoi tochnost'yu. S etih pozicii sovr. gigantskie neodnorodnosti v vide galaktik i ih skoplenii sleduet rassmatrivat' kak rezul'tat razvitiya ves'ma malyh po amplitude nachal'nyh vozmushenii, sushestvovavshih v proshlom.

Razvitie vozmushenii v odnorodnom veshestve vpervye izuchal eshe v nachale 18 v. I. N'yuton, a zatem v 20 v. angl. fizik Dzh. Dzhins. Dzhins ispol'zoval klassich. ur-niya gidrodinamiki i n'yutonovskoi teorii tyagoteniya. On rassmotrel malye vozmusheniya plotnosti, skorosti i gravitacionnogo potenciala v nepodvizhnom i ravnomerno raspredelennom veshestve. Vozmusheniya udobno predstavlyat' v vide sovokupnosti voln i harakterizovat' masshtab vozmusheniya sootvetstvuyushei dlinoi volny. Esli v srede (gaze, plazme) vozniklo sgushenie, to gravitac. sily budut stremit'sya ego uvelichit', a sily uprugosti budut stremit'sya rasshirit' sredu i vernut' ee v ishodnoe sostoyanie. Pod deistviem etih protivopolozhno napravlennyh sil sreda libo pridet v kolebatel'noe dvizhenie (v lyuboi ee tochke plotnost' budet to prevyshat' sr. znachenie, to stanovit'sya men'she ego), libo budet ispytyvat' monotonnoe dvizhenie. Harakter dvizheniya zavisit ot sootnosheniya mezhdu dlinoi volny vozmusheniya i nekotorym kriticheskim masshtabom, nazyvaemym dzhinsovskoi dlinoi volny l_Dzh. Eta velichina zavisit ot parametrov sredy: l_Dzh = v_s/$, gde v_s- skorost' zvuka v srede, r - ee plotnost'. Naryadu s ponyatiem dzhinsovskoi dliny volny pol'zuyutsya ponyatiem dzhinsovskoi massy ${\mathfrak M}_{Dzh}$ - massy, soderzhasheisya v ob'eme (l_Dzh/2)³.

V masshtabah, men'shih chem l_Dzh, i v ob'emah s massoi men'she , imeyut mesto kolebaniya velichin, opisyvayushih vozmusheniya. Amplituda etih kolebanii ubyvaet lish' iz-za processov rasseyaniya energii. Esli zhe masshtab vozmusheniya prevyshaet l_Dzh, to preobladayushuyu rol' igrayut gravitac. sily i kolebatel'nyi harakter vozmushenii zamenyaetsya na monotonnyi. Drugimi slovami, l_Dzh opredelyaet tot minim. masshtab vozmusheniya, nachinaya s k-rogo sily uprugosti veshestva ne v sostoyanii protivostoyat' silam tyagoteniya, chto i privodit k gravitacionnoi neustoichivosti sredy.

Zavisimost' vozmusheniya plotnosti ot vremeni opredelyaetsya ur-niem 2-go poryadka i poetomu soderzhit dva nezavisimyh resheniya. Oba resheniya pri l < l_Dzh imeyut oscillyacponnyi harakter. Pri l > l_Dzh odno iz reshenii sootvetstvuet narastaniyu vozmusheniya so vremenem, a drugoe reshenie - ego umen'sheniyu, t. e. nachal'noe vozmushenie mozhet libo neogranichenno narastat' (vplot' do granic primenimosti lineinoi teorii malyh vozmushenii), libo umen'shat'sya do nulya. Esli nachal'nye dannye ne vybirayutsya nastol'ko special'no, chtoby polnost'yu isklyuchit' narastanie vozmushenii, to cherez nek-roe vremya imenno narastanie vozmushenii stanet faktorom, opredelyayushim evolyuciyu.

Na fone nepodvizhnogo veshestva vozmusheniya plotnosti imeyut eksponencial'nuyu zavisimost' ot vremeni: dr/r ~ e^±gt, gde g zavisit ot sootnosheniya mezhdu dlinoi volny vozmusheniya l i l_Dzh: pri l>>l_Dzh znachenie g » .

Predpolozhenie o nepodvizhnosti odnorodnogo veshestva iskusstvenno, ono mozhet vypolnyat'sya lish' priblizhenno. V kosmologich. zadachah sleduet uchityvat' rasshirenie veshestva. Eto privodit k stepennomu zakonu narastaniya vozmushenii: dr/r ~ t^b, gde b zavisit ot v_s i l. Napr., pri W = 1 v veshestve, ne obladayushem davleniem, rost vozmushenii dr/r pri lyubom l proishodit po zakonu dr/r ~ t^2/3 ~ 1/(l + z). Prichina neustoichivosti v nestacionarnom veshestve ostaetsya prezhnei - preobladanie sil tyagoteniya v masshtabah, prevyshayushih l_Dzh. V men'shih masshtabah rasprostranyayutsya zvukovye kolebaniya s amplitudoi, ubyvayushei vsledstvie rasshireniya, a takzhe iz-za dissipativnyh processov.

N'yutonovskaya teoriya gravitac. neustoichivosti perestaet byt' spravedlivoi, esli plotnost' veshestva takova, chto skorost' zvuka v_s stanovitsya sravnimoi so skorost'yu sveta. V etom sluchae l_Dzh v rasshiryayushemsya mire sravnima s rasstoyaniem do gorizonta, t. e. prihoditsya imet' delo s masshtabami, gde n'yutonovskoi teorii tyagoteniya nedostatochno.

Relyativistskaya teoriya malyh vozmushenii odnorodnyh izotropnyh kosmologich. modelei byla razvita E. M. Lifshicem (1946 g.). Eta teoriya vklyuchaet v sebya takzhe i n'yutonovskoe priblizhenie sootvetstvuyushei zadachi. Proizvol'nye vozmusheniya gravitac. polya i veshestva, zapolnyayushego mir, mozhno razbit' na tri tipa. Kazhdyi iz tipov vozmushenii vklyuchaet vozmusheniya gravitac. polya, no vozmusheniya plotnosti veshestva i ego skorosti soderzhatsya ne vezde. Pervyi tip vozmushenii vklyuchaet v sebya vozmusheniya plotnosti i prodol'noi (ne vihrevoi) skorosti. Vo vtorom tipe net vozmushenii plotnosti, no est' vozmusheniya vihrevoi skorosti. Nakonec, tretii tip vozmushenii (otsutstvuyushii v n'yutonovskoi teorii) harakterizuetsya tem, chto v nem net ni vozmushenii plotnosti, ni vozmushenii skorosti, no est' tol'ko vozmusheniya gravitac. polya - eto gravitac. volny (sm. Gravitacionnoe izluchenie). Dlya teorii obrazovaniya gigantskih neodnorodnostei (sgushenii) veshestva - galaktik i ih skoplenii - osobenno vazhen pervyi tip vozmushenii.

Analiz vseh tipov vozmushenii v nestacionarnom rasshiryayushemsya mire pokazal, chto vozmozhny vozmusheniya, k-rye ubyvayut ili, po krainei mere, ne narastayut so vremenem, hotya vblizi singulyarnosti mogut prinimat' skol' ugodno bol'shie znacheniya. Po otnosheniyu k vozmusheniyam takogo sorta resheniya Fridmana ustoichivy (otkloneniya ot odnorodnosti i izotropii umen'shayutsya). No sredi vozmushenii plotnosti est' i takie, k-rye narastayut s techeniem vremeni, a pri t®0 ostayutsya malymi. Eto oznachaet, chto v rannie epohi, napr. v epohu nukleosinteza, otkloneniya ot odnorodnosti i izotropii mogut ostavat'sya malymi, i, sledovatel'no, oni ne vliyayut na vyvody, poluchennye v ramkah fridmanovskih kosmologicheskih modelei. Imenno etot tip vozmushenii chashe vsego kladut v osnovu teoreticheskih shem obrazovaniya nablyudaemoi strukturnosti Vselennoi.

Obrazovanie galaktik. Srednee rasstoyanie mezhdu galaktikami v sovremennuyu epohu primerno v 100 raz prevyshaet ih razmery. Eto oznachaet, chto v epohu, sootvetstvuyushuyu z = 100, kogda masshtabnyi faktor R(t) byl v 100 raz men'she nyneshnego, galaktiki dolzhny byli by "soprikasat'sya krayami", a do etogo galaktiki i ih skopleniya zavedomo ne mogli sushestvovat' v ih sovr. vide. Vysokaya stepen' izotropii reliktovogo izlucheniya v uglovyh masshtabah, sootvetstvuyushih lineinym razmeram skopleniya galaktik, govorit o ves'ma maloi neodnorodnosti dogalaktich. veshestva v epohu rekombinacii. Eto odin iz vazhnyh argumentov v pol'zu shiroko rasprostranennogo ubezhdeniya v obrazovanii nablyudaemoi strukturnosti iz malyh po amplitude vozmushenii, sushestvovavshih v epohu rekombinacii i razvivshihsya v dal'neishem v silu gravitac. neustoichivosti.

Proishozhdenie i harakter vozmushenii, sushestvovavshih na dorekombinacionnoi stadii, eshe ne vyyasneny. Prosteishei gipotezoi (i potomu, vozmozhno, naibolee veroyatnoi) yavl. gipoteza pervichnyh adiabatich. vozmushenii, t. e. takih vozmushenii, v k-ryh veshestvo i izluchenie vozmusheny vmeste, tak chto otnoshenie n_g/n_b vezde ostaetsya neizmennym. Eta gipoteza yavl. estestvennym sledstviem teorii ochen' rannei Vselennoi. Pri t = 0 vozmushenie polnoi plotnosti dr/r = 0 i narastaet so vremenem. Soprovozhdayushee ego vozmushenie gravitacionnogo polya malo, hotya i ne ravno nulyu pri t = 0.

Melkomasshtabnye adiabaticheskie vozmusheniya rano ili pozdno obyazatel'no popadayut v rezhim, kogda stanovyatsya sushestvennymi dissipativnye processy, vedushie k zatuhaniyu dvizheniya veshestva. Poetomu melkomasshtabnye vozmusheniya k momentu rekombinacii zatuhayut, a "vyzhivayut" tol'ko krupnomasshtabnye, ohvatyvayushie massu ~ (10¹³-10¹⁴). V poslerekombinacionnuyu epohu takie vozmusheniya mogut besprepyatstvenno narastat'. Naryadu s nimi posle rekombinacii mogli by razvivat'sya vozmusheniya znachitel'no men'shih masshtabov. Delo v tom, chto v period rekombinacii (T » 4000 K, t » 10⁶ let) uprugost' sredy rezko padaet, t. k. fotony perestayut vzaimodeistvovat' s neitral'nym veshestvom, i lish' davlenie gaza protivostoit gravitac. silam. V rezul'tate posle rekombinacii dzhinsovskaya massa umen'shaetsya do 10⁵-10⁶, t. e. znachenii, harakternyh dlya karlikovyh galaktik i bol'shih sharovyh skoplenii zvezd. Sledovatel'no, za schet gravitac. neustoichivosti na vsem intervale vremeni, ot epohi rekombinacii do nashih dnei, mogut narastat' i prevrashat'sya v gravitacionno svyazannye sistemy vozmusheniya s massoi > 10⁵. Pravda, amplituda adiabatich. vozmushenii v atih masshtabah ochen' mala, kak otmecheno vyshe, iz-za dissipativnyh processov. Tempy narastaniya vozmusheniya v veshestve opredelyayutsya f-loi dr/r ~ 1/(1 + z) (pri sr. plotnosti veshestva r<<r_c (skorost' narastaniya vozmushenii men'she). Otsyuda sleduet, chto dlya dostizheniya k sovr. epohe znacheniya dr/r » 1, chto yavlyaetsya neobhodimym usloviem obrazovaniya galaktik i ih skoplenii, v epohu rekombinacii (z = z_r) dolzhno bylo byt' (dr/r)_r » 10^-2-10^-3.

Rassmotrenie sgushenii, v k-ryh (dr/r) » 1, a zatem i prevyshaet edinicu, trebuet vyhoda za ramki teorii malyh vozmushenii. Dvizhenie veshestva, prakticheski ne obladayushego davleniem (r = 0), dolzhno privodit' k obrazovaniyu ploskih uplotnenii ("blinov"), v k-ryh odin iz razmerov (tolshina "blina") mnogo men'she dvuh drugih. Neizbezhnost' obrazovaniya uplotnenii imenno takoi formy vytekaet iz ves'ma obshih teoretich. predstavlenii. Pri proizvol'nyh nachal'nyh usloviyah, harakterizuyushih dvizhenie elementa ob'ema sploshnoi sredy s r = 0, v obshem sluchae pod deistviem gravitac. sil on szhimaetsya v "blin", v to vremya kak szhatie v "nit'" ili v "tochku" trebuet spec. vybora nachal'nyh dannyh.

Predpolagaetsya, chto v obrazovavshihsya pri z » (3-10) uplotneniyah neitral'nogo gaza (v masshtabah protoskoplenii galaktik) proishodyat raznoobraznye teplovye i gidrodinamich. processy, vedushie k fragmentacii protoskoplenii na oblaka gaza i protogalaktiki, v k-ryh obrazuyutsya zvezdy. Sovokupnost' vseh protoskoplenii ("blinov") dolzhna proyavlyat'sya v vide harakternogo yacheistogo raspredeleniya veshestva v Metagalaktike s tipichnym razmerom yacheiki togo zhe poryadka, chto i naibol'shii razmer otdel'nyh protoskoplenii.

Eta teoreticheskaya shema obrazovaniya strukturnosti, kak, vprochem, i lyubaya drugaya, nuzhdaetsya v podrobnom sopostavlenii s nablyudeniyami. Po imeyushimsya dannym, sledy yacheistoi struktury deistvitel'no nablyudayutsya.

Vozmusheniya plotnosti i gravitac. polya, sushestvovavshie v epohu rekombinacii, dolzhny proyavlyat' sebya seichas v uglovoi zavisimosti temp-ry reliktovogo izlucheniya. Uglovye razmery oblastei, soderzhashih massu ~ (10¹³-10¹⁴) , sootvetstvuyut nesk. minutam dugi. Predskazyvaemaya amplituda variacii temp-ry dT/T ne vpolne odnoznachna, t. k. zavisit ot (dr/r)_r v epohu rekombinacii i mnozhestva dopolnitel'nyh parametrov.

Odnako dazhe prosteishii variant obrazovaniya struktury trebuet slishkom bol'shih znachenii (dr/r)_r i ne vyderzhivaet sopostavleniya s ogranicheniyami, poluchennymi iz nablyudenii velichiny dT/T. Vozmozhno, voznikshee protivorechie svyazano s nalichiem skrytoi massy, sozdavaemoi massivnymi neitrino ili k.-l. dr. massivnymi chasticami. Togda vozmushenie plotnosti (dr/r)_r v fotonno-barionnom komponente materii mozhet ostavat'sya sravnitel'no malym i, sledovatel'no, predskazyvaemye variacii dT/T budut maly, a neobhodimyi rost vozmushenii budet obespechen gravitac. vliyaniem so storony bolee znachitel'nyh neodnorodnostei v raspredelenii neitrino ili dr. chastic, obladayushih massoi pokoya.

Naryadu s rassmotrennoi vyshe teoriei obrazovaniya galaktik iz adiabatich. vozmushenii sushestvuet teoriya, ishodyashaya iz pervonachal'nyh entropiinyh vozmushenii. Entropiinym vozmusheniyam sootvetstvuet odnorodnoe raspredelenie izlucheniya pri nalichii otdel'nyh uplotnenii v veshestve (barionah), tak chto v raznyh tochkah prostranstva na kazhdyi barion prihoditsya razlichnoe chislo fotonov (ud. entropiya v raznyh tochkah razlichna). Rost entropiinyh vozmushenii mog by privesti v konce koncov k obrazovaniyu ob'ektov s massoi ~ (10⁵-10⁶). Predpolagaetsya, chto aktivnaya evolyuciya etih pervyh ob'ektov sozdavala by v okruzhayushei srede usloviya, neobhodimye dlya formirovaniya bolee krupnomasshtabnyh struktur (galaktik, ih skoplenii i t. d.). Sleduet, odnako, otmetit', chto samo sushestvovanie pervichnyh entropiinyh vozmushenii predstavlyaetsya somnitel'nym v svete teorii ochen' rannei Vselennoi (sm. razdel 5). Nesomnenno, dal'neishee nakoplenie nablyudatel'nyh dannyh (o raspredelenii reliktovogo izlucheniya i dr.). a takzhe teoretich. issledovaniya, v pervuyu ochered' po vyyasneniyu nabora vseh chastic, uchastvuyushih v rassmatrivaemyh processah, pomogut v konce koncov ustanovit' podlinnuyu kartinu obrazovaniya strukturnosti vo Vselennoi.

5. Ochen' rannyaya Vselennaya

Epoha pervichnogo nukleosinteza - naibolee rannii period v evolyucii Vselennoi, o k-rom est' k.-l. pryamye nablyudatel'nye svidetel'stva (ris. 4). Nablyudaemoe obilie pervichnogo geliya (a takzhe deiteriya) sluzhit osnovaniem dlya suzhdenii o fiz. usloviyah pri T ~ 10⁹ K, r ~ 10² g/sm³ i t » 100 s. Bolee vysokie temperatury i plotnosti otnosyatsya k periodu, k-ryi nazyvaetsya "ochen' rannyaya Vselennaya". Interes k stol' udalennoi epohe, krome obshenauchnyh prichin, vyzyvaetsya neobhodimost'yu ob'yasneniya nablyudaemyh osobennostei okruzhayushego mira, yavno nosyashih otpechatok ochen' dalekogo proshlogo.

Mnogoe ob ochen' rannei Vselennoi v epohu temp-r T ~ 10¹⁰K mozhno bylo by uznat' po reliktovym elektronnym neitrino, k-rye v etu epohu perestayut vzaimodeistvovat' s drugimi chasticami, no problema ih registracii eshe ne reshena.

Sovr. teoriya elementarnyh chastic predskazyvaet, chto pri T ~ 10¹³-10¹⁴K (adronnaya era) veshestvo soderzhalo bol'shoe chislo svobodnyh kvarkov - chastic, iz k-ryh sostoyat vse adrony - sil'no vzaimodeistvuyushie chasticy. Mozhno so znachitel'noi stepen'yu uverennosti govorit' ob etoi ere, poskol'ku ona opisyvaetsya teoriei sil'nyh vzaimodeistvii (sm. Elementarnye chasticy).

Dlya ponimaniya sv-v veshestva v eshe bolee rannyuyu epohu (T ~ 10¹⁴-10¹⁶ K) privlekayut teoriyu elektroslabyh vzaimodeistvii, rassmatrivayushuyu el.-magn. i slaboe vzaimodeistviya s edinyh pozicii - kak vzaimodeistviya s uchastiem razlichnyh promezhutochnyh bozonov (sm. Velikogo ob'edineniya modeli). Etot period mozhno nazvat' eroi promezhutochnyh bozonov, poskol'ku pri T ~ 10¹⁵ K dostigayutsya fiz. usloviya dlya poyavleniya bol'shogo chisla chastic (promezhutochnyh bozonov), realizuyushih edinoe elektroslaboe vzaimodeistvie. Teoriya etogo vzaimodeistviya (v dr. aspektah) eksperimental'no podtverzhdena.

Veroyatno, pri eshe bolee vysokih temp-rah nado iskat' razgadku togo, pochemu Vselennaya zaryadovo-nesimmetrichna (soderzhit izbytok barionov nad antibarionami). Sovr. popytki ob'yasneniya proishozhdeniya barionnoi asimmetrii i konkretnogo chislennogo znacheniya ud. entropii svyazany s postroeniem teorii, ob'edinyayushei el.-magn., slaboe i sil'noe vzaimodeistviya (po obrazcu teorii, ob'edinyayushei pervye dva iz nih) i vklyuchayushei vozmozhnost' nesohranenpya barionnogo zaryada. Soglasno etoi edinoi teorii, vse tri vzaimodeistviya stanovyatsya sravnimymi pri energiyah chastic ok. 10¹⁶ GeV, chto sootvetstvuet T ~ 10²⁹ K. Esli edinoe vzaimodeistvie pri T ~ 10²⁹ K deistvitel'no imeet mesto, to dolzhny sushestvovat' ochen' massivnye (~10^-9 g) i chrezvychaino korotkozhivushie H-chasticy, obuslovlivayushie eto edinoe vzaimodeistvie. S H-chasticami svyazano upomyanutoe nesohranenie barionnogo zaryada za schet prevrashenii s ih uchastiem kvarkov v leptony i obratno (sm. Barionnaya asimmetriya Vselennoi).

Iz nesohraneniya barionnogo zaryada sleduet, v chastnosti, vozmozhnost' chrezvychaino medlennogo raspada protona v sovr. usloviyah (eksperimenty po proverke etogo predskazaniya provodyatsya). V processe rasshireniya Vselennoi pri T 10²⁹ K X-chasticy i ih antichasticy () raspadayutsya i "vymirayut". No raspad chastic X i ne vo vsem odinakov (dlya dr. chastic i antichastic eto dokazano v laboratornyh opytah). Poskol'ku raspad X i -chastic proishodit v neravnovesnyh usloviyah (obuslovlennyh rasshireniem Vselennoi), to chislo poyavlyayushihsya barionov (V) otlichaetsya ot chisla poyavlyayushihsya antibarionov (). U pervonachal'no zaryadovo-simmetrichnogo veshestva voznikaet nenulevoi barionnyi zaryad, t. e. nebol'shoi izbytok barionov (kvarkov) nad antibarionami (antikvarkami). Posle ponizheniya temp-ry do T < 10¹² K i annigilyacii V i ostayutsya tol'ko odni bariony.

V primenenii k rasshiryayusheisya Vselennoi teoriya pozvolyaet v principe vychislit' znachenie ud. entropii s ~ n_g/n_b. Ocenki ne protivorechat nablyudaemoi velichine (~10⁹). V ramkah etoi koncepcii s opredelyaetsya fiz. konstantami (massoi i vremenem zhizni H-chasticy, razlichiem H i ) i, t. o., vezde odinakovo. Sledovatel'no, net entropiinyh vozmushenii. Nesmotrya na to chto fiz. processy pri sverhvysokih energiyah chastic eshe ne issledovany v dostatochnoi stepeni, poluchennye rezul'taty pozvolyayut nadeyat'sya, chto fiz. zakony rannei Vselennoi budut raskryty.

Vazhnye rezul'taty v teorii rannei Vselennoi byli polucheny v poslednie gody. Bylo pokazano, chto v ochen' dalekom proshlom, pri T 10²⁹ K, Vselennaya mogla nahodit'sya v sostoyanii rasshireniya, opisyvaemogo zakonom R(r) = (1/H) ehr (Ht). Takuyu stadiyu rasshireniya nazyvayut "inflyacionnoi". Ee nalichie pozvolyaet dat' estestvennoe ob'yasnenie faktu postoyanstva temp-ry reliktovogo izlucheniya, prihodyashego s raznyh napravlenii, i blizosti k edinice parametra W, harakterizuyushego sovr. dinamich. evolyuciyu dostupnoi dlya nablyudenii oblasti Vselennoi (podrobnee ob etom sm. v st. Model' inflyacionnoi Vselennoi). Vozmozhno takzhe, chto specifika fiz. uslovii v ochen' rannei Vselennoi predopredelila prirodu i spektr pervichnyh fluktuacii, privedshih v konce koncov k obrazovaniyu nablyudaemoi strukturnosti Vselennoi.

V rassmotrennyh vyshe processah, protekayushih v ochen' rannei Vselennoi, gravitac. vzaimodeistvie uchityvaetsya tol'ko kosvenno, posredstvom kollektivnogo gravitac. polya, sozdavaemogo mnozhestvom raznoobraznyh chastic i polei. Kollektivnoe gravitac. pole opredelyaet zakon izmeneniya so vremenem plotnosti materii i temp-ry, no ego rol' na rasstoyaniyah, sopostavimyh s razmerami chastic, ne uchityvaetsya. Takoi podhod opravdan do teh por, poka gravitac. pole ne stanovitsya predel'no sil'nym. Drugimi slovami, poka razmer gorizonta (harakterizuyushii v dannom sluchae kriviznu prostranstva-vremeni i silu gravitac. polya) velik po sravneniyu s dlinami voln, harakterizuyushimi volnovye polya i chasticy. Esli zhe gravitac. pole uvelichivaetsya nastol'ko, chto upomyanutye razmery stanovyatsya sravnimymi, to kartina uslozhnyaetsya. V intensivnom gravitac. pole stanovitsya vozmozhnym rozhdenie par chastic, podobno tomu kak v intensivnom el.-magn. pole vozmozhno rozhdenie elektron-pozitronnyh par. V chastnosti, v kollektivnom gravitac. pole ochen' rannei Vselennoi dolzhny rozhdat'sya gravitony - kvanty gravitac. polya, osobenno intensivno - v sverhsil'nyh gravitac. polyah, v k-ryh plotnost' materii i temp-ra dostigayut plankovskih znachenii r_Pl ~ 10⁹³g/sm³, T_Pl ~ 10³²K (plankovskaya era). Rozhdennye v plankovskuyu eru gravitony dolzhny sozdavat' v sovremennoi Vselennoi neteplovoi fon reliktovyh gravitonov (sm. Gravitacionnoe izluchenie).

Reliktovye gravitony interesny ne tol'ko kak vazhneishii fiz. faktor ochen' rannei Vselennoi, no i kak, vozmozhno, edinstvennyi istochnik informacii o toi epohe. Delo v tom, chto vse dr. chasticy, sushestvovavshie v ochen' rannei Vselennoi i nesshie na sebe ee otpechatok, v dal'neishem proshli cherez sostoyanie termodinamich. ravnovesiya, period aktivnogo vzaimodeistviya mezhdu soboi i dr. sortami chastic. V rezul'tate informaciya o vseh detalyah ih povedeniya i roli v processah na stadii rannei Vselennoi dolzhna byla sgladit'sya, poteryat'sya. Chto zhe kasaetsya gravitonov, to oni libo voobshe ne byli v ravnovesii, libo vyshli iz nego predel'no rano - v plankovskuyu eru (t ~10^-43 s), i poetomu spektr sovr. reliktovogo gravitac. izlucheniya i plotnost' energii reliktovyh gravitonov dolzhny nesti informaciyu ob ochen' rannei Vselennoi. K sozhaleniyu, registraciya reliktovogo gravitacionnogo izlucheniya nahoditsya poka za predelami eksperimental'nyh vozmozhnostei. Plankovskaya era lezhit na granice sushestvuyushih fiz. teorii, i vmeste s tem ee ponimanie tait, vozmozhno, razgadku samoi grandioznoi kosmologich. problemy - rozhdeniya Vselennoi.

Sformulirovany gipotezy o vozmozhnosti spontannogo kvantovogo vozniknoveniya Vselennoi iz vakuuma. Takoi process trebuet, po-vidimomu, prostranstvennoi zamknutosti mira. Problema kvantovogo rozhdeniya Vselennoi nachinaet postepenno priobretat' kolichestvennuyu formulirovku, chto, nesomnenno, budet sposobstvovat' ee resheniyu.

Lit.: Zel'dovich Ya. B., Novikov I. D., Stroenie i evolyuciya Vselennoi, M., 1975; Veinberg S., Gravitaciya i kosmologiya, per. s angl., M., 1975; ego zhe. Pervye tri minuty, per. s angl., M., 1981; Pibls GG., Fizicheskaya kosmologiya, per. s angl., M., 1975; Proishozhdenie i evolyuciya galaktik i zvezd, pod red. S. B. Pikel'nera, M., 1976; Zvezdy i zvezdnye sistemy, M., 1981; Pibls F. D zh. E., Struktura Vselennoi v bol'shih masshtabah, per. s angl., M., 1983.

Publikacii s klyuchevymi slovami: Kosmologiya Publikacii so slovami: Kosmologiya
Sm. takzhe: Razlozhenie dalekogo sveta Formirovanie galaktik v magnitnoi Vselennoi "Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe Sverhnovaya 1994D i neozhidannaya Vselennaya Kuda smeshaetsya krasnoe smeshenie? Samaya dalekaya sverhnovaya tipa Ia Rashid Alievich Syunyaev (k semidesyatiletiyu so dnya rozhdeniya) Vse publikacii na tu zhe temu >>