Tamsi materija ir tamsi energija visatoje. 3. Visata praeityje

Tamsi materija ir tamsi energija visatoje

Valerijus Анатольевич Рубаков,
Branduolinių tyrimų institutas, Rusijos mokslų akademija, Maskva, Rusija

Paskaitos pristatymas (pdf, 2 Mb)

Atsisiųsti vaizdo įrašą (avi): 1 dalis (180 MB), 2 dalis (210 MB), 3 dalis (250 MB)

  • 1. Įvadas
  • 2. Visatos plėtimas
  • 3. Visata praeityje
  • 4. Energijos balansas šiuolaikinėje visatoje
  • 5. Tamsi materija
  • 6. Tamsi energija
  • 7. Išvada

3. Visata praeityje

Diskutuokime apie du visatos evoliucijos etapus, apie kuriuos šiandien yra patikimų stebėjimo duomenų. Vienas iš jų, palyginti nesenas, yra etapas, per kurį medžiaga visatoje pereina iš plazmos būklės į dujinę būseną. Tai įvyko 3000 laipsnių temperatūroje, o tuo metu Visatos amžius buvo 300 tūkstančių metų (šiek tiek palyginti su dabartiniais 14 milijardų metų). Prieš tai elektronai ir protonai judėjo atskirai vienas nuo kito, medžiaga buvo plazma. Esant 3000 laipsnių temperatūrai, elektronai ir protonai sujungti į vandenilio atomus, o Visata buvo užpildyta šiomis dujomis. Svarbu, kad plazma būtų nepermatoma elektromagnetinei spinduliuotei; Fotonai visą laiką skleidžiami, absorbuojami, išsisklaidę plazmos elektronais. Priešingai, dujos yra skaidrios.Taigi, elektromagnetinė spinduliuotė, kuri atėjo į mus su 2,7 laipsnių temperatūra, laisvai judėjo Visatoje nuo plazmos-dujų perėjimo momento, nuo to laiko atvėsusi (paraudusi) nuo to laiko 1,100 kartų dėl Visatos ekspansijos. Ši reliktiška elektromagnetinė spinduliuotė išlaikė plazmos ir dujų perėjimo metu informaciją apie Visatos būseną; su jos pagalba mes turime fotografiją (tiesiogine prasme!) Visatoje, kurios amžius 300 tūkstančių metų, kai jo temperatūra buvo 3000 laipsnių.

Iš šio relikso elektromagnetinės spinduliuotės temperatūros matavimas skirtingos krypties danguje mes sužinome, kurios sritys buvo šiltesnės arba šaltesnės (ir todėl tankesnės ar plonesnės) nei visatos vidurkis, o svarbiausia, kiek šilčiau ar šaltesnis. Šių matavimų rezultatas yra tas, kad Visata, esanti 300 tūkstančių metų amžiuje, buvo daug vienalytesnė nei šiandien: temperatūros ir tankio pokytis buvo mažesnis nei 10-4 (0,01%) vidurkio. Tačiau šie pokyčiai egzistavo: skirtingomis kryptimis elektromagnetinė spinduliuotė kilo iš šiek tiek skirtingos temperatūros. Tai parodyta fig. 3, kuriame pavaizduotas temperatūros pasiskirstymasdangaus sfera (pirmosios visatos nuotrauka), atėmus vidutinę 2,725 laipsnio Kelvino temperatūrą; šaltesnės zonos rodomos mėlynose, šiltesnėse srityse4.

Nuotraukoje parodyta ryžiai 3, sukėlė keletą svarbių ir netikėtų išvadų. Pirma, jis leido nustatyti, kad mūsų erdvinė erdvė su geru tikslumu yra euklidinė: iš jos trikampio kampų suma yra 180 laipsnių net ir trikampiuose su šonais, kurių ilgis yra panašus į matomos Visatos dalies dydį, t. Y. Panašus į 14 milijardų šviesos metai Apskritai, bendra reliatyvumo teorija daro prielaidą, kad erdvė gali būti ne euklidinė, bet išlinkta; Stebėjimo duomenys rodo, kad tai nėra atvejis (bent jau mūsų Visatos regionui). "Kosmoso atstumo svarstyklių kampų sumos" matavimo metodas yra toks. Galima patikimai apskaičiuoti būdingą erdvinį plotą, kuriame temperatūra skiriasi nuo vidurkio: perėjimo metu plazmos-dujos šis dydis nustatomas pagal Visatos amžių, ty proporcingą 300 tūkstančių šviesos metų. Pastebėtas kampinis šių regionų dydis priklauso nuo trimatės erdvės geometrijos, leidžiančios nustatyti, ar ši geometrija yra euklido.

Euklido trimatės erdvės geometrijos atveju bendroji reliatyvumo teorija vienareikšmiškai susieja Visatos plitimo greitį su bendra visų formų energijos tankistaip pat Niutono teorijoje apie greitį Žemės sukimosi aplink Saulę lemia Saulės masė. Išmatuotas pasipriešinimo greitis atitinka bendrą energijos tankį šiuolaikinėje visatoje.

Masės tankio požiūriu (kadangi energija yra susijusi su masė iki E = ms2) šis skaičius yra

Jei energija Visatoje buvo visiškai nulemta likusios įprastinės materijos energijos, tai vidutiniškai Kubiniame metre Visatoje būtų 5 protonai. Vis dėlto matysime, kad įprasta prasmė visatoje yra daug mažesnė.

Antra, iš nuotraukos ryžiai 3 galite nustatyti, kas buvo dydis (amplitudė) nevienalytiškumas temperatūra ir tankis ankstyvoje visatoje – tai buvo 10-4-10-5 iš vidurkių. Iš šių tankių nehomogeniškumo atsirado galaktikų ir galaktikų grupių: didesnio tankio regionai dėl gravitacinių jėgų pritraukė aplinkines medžiagas, tapo dar tankesnėmis ir galiausiai susidariusiomis galaktikomis.

Kadangi pradiniai tankio nehomogeniškumai yra žinomi, galaktikos formavimo procesas gali būti apskaičiuotas, o rezultatas gali būti lyginamas su pastebtu galaktikų pasiskirstymu Visatoje. Šis skaičiavimas atitinka pastabas tik tuo atveju, jei daroma prielaida, kad be paprasto dalyko visatoje yra ir kitokio pobūdžio dalykas: tamsi materija, kurių įnašas į bendrą energijos tankį šiandien yra apie 25%.

Pav. 4

Kitas Visatos evoliucijos etapas atitinka dar anksčiau, nuo 1 iki 200 sekundžių (!) Nuo Didžiojo sprogimo momento, kai Visatos temperatūra pasiekė milijardus laipsnių. Tuo metu visatoje atsirado termobranduolinės reakcijos, panašios į tas, kurios atsiranda Saulės centre arba termobranduolinėje bomboje. Dėl šių reakcijų dalis protonų, susijusių su neutronais ir susidariusiais lengvaisiais branduoliais – heliu, deuteriu ir ličio-7 branduoliais. Galima apskaičiuoti suformuotų šviesos branduolių skaičių, nes vienintelis nežinomas parametras yra protonų skaičius Visatoje (pastaroji, žinoma, mažėja dėl visatos plitimo, bet jo vertės skirtingais laikais yra tiesiog sujungtos viena su kita).

Šio skaičiavimo palyginimas su stebimais lengvųjų elementų skaičiumi Visatoje yra pateiktas ryžiai 4: linijos rodo teorinio skaičiavimo rezultatus, priklausomai nuo vieno parametro – įprastos medžiagos tankio (baryonų) ir stačiakampių – stebėjimo duomenų. Pažymėtina, kad yra sutarimas dėl visų trijų lengvų branduolių (helis-4, deuteriumas ir ličio-7); Yra susitarimas su duomenimis apie foninę spinduliuotę (parodyta vertikalioje juostoje, pav. 4, pažymėta MW – Cosmic Microwave Background). Šis susitarimas rodo, kad bendra reliatyvumo teorija ir gerai žinomi branduolinės fizikos įstatymai teisingai apibūdina Universe nuo 1 iki 200 sekundžių, kai jame esanti medžiaga turi milijardą laipsnių ir dar daugiau temperatūros. Mums svarbu, kad visi šie duomenys leistų daryti išvadą, kad masto tankis yra paprastas dalykas šiuolaikinėje visatoje

tai yra, paprastoji medžiaga sudaro tik 5 proc. viso energijos tankio visatoje.


4 Pastabos iš palydovo WMAP.


Like this post? Please share to your friends:
Tamsi materija ir tamsi energija visatoje ">
Parašykite komentarą

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