Ciemna materia i ciemna energia we wszechświecie. 3. Wszechświat w przeszłości

Ciemna materia i ciemna energia we wszechświecie

Walery Anatoliewicz Rubakow,
Instytut Badań Jądrowych, RAS, Moskwa, Rosja

Prezentacja wykładu (pdf, 2 Mb)

Pobierz film (avi): część 1 (180 MB), część 2 (210 MB), część 3 (250 MB)

  • 1. Wprowadzenie
  • 2. Rozszerzający się wszechświat
  • 3. Wszechświat w przeszłości
  • 4. Bilans energii we współczesnym wszechświecie
  • 5. Ciemna materia
  • 6. Ciemna energia
  • 7. Wniosek

3. Wszechświat w przeszłości

Omówmy dwa etapy ewolucji Wszechświata, o których wiarygodne dane obserwacyjne są dostępne dzisiaj. Jednym z nich, stosunkowo niedawnym, jest etap przejścia materii we Wszechświecie ze stanu plazmy w stan gazowy. Stało się to w temperaturze 3000 stopni, a wiek Wszechświata do tego czasu wynosił 300 tysięcy lat (całkiem sporo w porównaniu do obecnych 14 miliardów lat). Przedtem elektrony i protony poruszały się oddzielnie od siebie, substancja była plazmą. W temperaturze 3000 stopni elektrony i protony połączyły się w atomy wodoru, a Wszechświat został wypełniony tym gazem. Ważne jest, aby plazma była nieprzezroczysta dla promieniowania elektromagnetycznego; fotony są emitowane przez cały czas, pochłaniane, rozpraszane przez elektrony plazmowe. Z drugiej strony gaz jest przezroczysty.Tak więc promieniowanie elektromagnetyczne, które dotarło do nas z temperaturą 2,7 stopnia, swobodnie przemieszczało się we Wszechświecie od momentu przejścia w fazę gazową, po ochłodzeniu (zaczerwienieniu) od tego czasu o 1100 razy z powodu ekspansji Wszechświata. To reliktowe promieniowanie elektromagnetyczne zachowało informację o stanie Wszechświata w czasie przejścia plazmowo-gazowego; z jego pomocą mamy fotografię (dosłownie!) Wszechświata w wieku 300 tysięcy lat, kiedy jego temperatura wynosiła 3000 stopni.

Pomiar temperatury tego reliktowego promieniowania elektromagnetycznego, które do nas dotarło różne kierunki na niebie dowiadujemy się, które obszary były cieplejsze lub zimniejsze (i dlatego gęstsze lub cieńsze) niż średnia we Wszechświecie, a co najważniejsze, o ile cieplejsze lub zimniejsze były. Wynikiem tych pomiarów jest to, że Wszechświat w wieku 300 tysięcy lat był znacznie bardziej jednorodny niż dzisiaj: wahania temperatury i gęstości były wtedy mniejsze niż 10-4 (0,01%) średniej. Jednak te odmiany istniały: z różnych kierunków promieniowanie elektromagnetyczne pochodzi z nieco innych temperatur. Jest to pokazane na ryc. 3, który przedstawia rozkład temperatury wzdłużsfera niebieska (fotografia wczesnego wszechświata) minus średnia temperatura 2,725 stopni Kelvina; zimniejsze obszary są pokazane w niebieskich, cieplejszych obszarach na czerwono4.

Zdjęcie pokazane na ryż 3, doprowadziło do kilku ważnych i nieoczekiwanych wniosków. Po pierwsze, pozwolił ustalić, że naszą przestrzenią trójwymiarową z dobrym stopniem dokładności jest Euklidesa: suma kątów trójkąta w niej wynosi 180 stopni, nawet dla trójkątów o bokach, których długości są porównywalne z wielkością widzialnej części Wszechświata, tj. Porównywalną z 14 miliardami światła lat Ogólnie rzecz biorąc, ogólna teoria względności zakłada, że ​​przestrzeń może nie być euklidesowa, lecz zakrzywiona; Dane obserwacyjne pokazują, że tak nie jest (przynajmniej dla naszego regionu Wszechświata). Metoda pomiaru "sumy kątów trójkąta" na kosmologicznych skalach odległości jest następująca. Można wiarygodnie obliczyć charakterystyczny rozmiar przestrzenny obszarów, w których temperatura różni się od średniej: w momencie przejścia gazu plazmowego wielkość ta jest określona przez wiek Wszechświata, czyli proporcjonalnie do 300 tysięcy lat świetlnych. Obserwowany rozmiar kątowy tych regionów zależy od geometrii przestrzeni trójwymiarowej, co umożliwia ustalenie, że geometria ta jest euklidesowa.

W przypadku geometrii euklidesowej przestrzeni trójwymiarowej ogólna teoria względności jednoznacznie łączy szybkość ekspansji Wszechświata z całkowitą gęstość wszystkich form energiijak również w newtonowskiej teorii prędkości obrotu Ziemi wokół Słońca jest określona przez masę Słońca. Zmierzona szybkość rozszerzania odpowiada całkowitej gęstości energii we współczesnym wszechświecie.

Pod względem gęstości masy (ponieważ energia jest związana z masą przez E = ms2) ta liczba to

Gdyby energia we Wszechświecie była w całości określona przez resztę energii zwykłej materii, wówczas średnio we wszechświecie byłoby 5 protonów w metrze sześciennym. Zobaczymy jednak, że zwykła materia we wszechświecie jest znacznie mniejsza.

Po drugie, ze zdjęcia ryż 3 możesz ustawić, co było magnitudo (amplituda) heterogeniczność temperatura i gęstość we wczesnym wszechświecie – było 10-4-10-5 od średnich. Z tych niejednorodności gęstości powstały galaktyki i skupiska galaktyk: regiony o większej gęstości przyciągały do ​​siebie otaczającą się materię z powodu sił grawitacyjnych, stały się jeszcze bardziej gęste i ostatecznie uformowały się galaktyki.

Ponieważ początkowe niehomogeniczności gęstości są znane, proces formowania się galaktyk można obliczyć, a wynik można porównać z obserwowanym rozkładem galaktyk we Wszechświecie. Te obliczenia są zgodne z obserwacjami tylko wtedy, gdy zakłada się, że oprócz zwykłej materii, we Wszechświecie istnieje inny rodzaj materii: ciemna materia, którego udział w całkowitej gęstości energii wynosi dzisiaj około 25%.

Ryc. 4

Kolejny etap ewolucji Wszechświata odpowiada nawet wcześniejszym czasom, od 1 do 200 sekund (!) Od momentu Wielkiego Wybuchu, kiedy temperatura Wszechświata osiągnęła miliardy stopni. W tym czasie we Wszechświecie zachodziły reakcje termojądrowe, podobne do zachodzących w środku Słońca lub w bombie termojądrowej. W wyniku tych reakcji część protonów związana jest z neutronami i tworzy lekkie jądra – hel, deuter i jądro litu-7. Liczbę utworzonych jąder świetlnych można obliczyć, przy czym jedynym nieznanym parametrem jest liczba protonów we Wszechświecie (ta ostatnia, oczywiście, zmniejsza się z powodu ekspansji Wszechświata, ale jej wartości w różnych czasach są po prostu ze sobą połączone).

Porównanie tych obliczeń z obserwowaną liczbą elementów świetlnych we Wszechświecie podano w ryż 4: linie przedstawiają wyniki obliczeń teoretycznych w zależności od pojedynczego parametru – gęstość zwykłej substancji (bariony) i prostokąty – dane obserwacyjne. Godne uwagi jest to, że istnieje zgodność dla wszystkich trzech lekkich jąder (hel-4, deuter i lit-7); Istnieje zgoda na dane dotyczące promieniowania tła (przedstawione za pomocą pionowego paska na ryc. 4, wskazanego przez MW – kosmiczne tło mikrofalowe). Ta umowa wskazuje, że ogólna teoria względności i dobrze znane prawa fizyki jądrowej poprawnie opisują Wszechświat w wieku 1-200 sekund, kiedy materia w nim miała temperaturę o wartości miliarda stopni i więcej. Ważne jest dla nas, że wszystkie te dane prowadzą do wniosku, że gęstość masy zwykłej materii we współczesnym wszechświecie jest

to znaczy, zwykła materia daje tylko 5% całkowitej gęstości energii we Wszechświecie.


4 Obserwacje z satelity WMAP.


Like this post? Please share to your friends:
Ciemna materia i ciemna energia we wszechświecie ">

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