Ошибки моделей Стационарного состояния и Квазистационарного состояния

Модель стационарного состояния Вселенной была предложена в 1948 году [ Бонди (Bondi) и Голдом (Gold) ] а также [ Хойлом (Hoyle) ]. Бонди и Голд приняли "Совершенный космологический принцип", и дополнили его предположением о том, что Вселенная была одной и той же во все времена в плане гомогенности (одинакова во всех местах) и изотропии (одинакова во всех направлениях). Наблюдения Вселенной показывают, что она расширяется, поэтому если плотность остается той же самой, становится необходимым непрерывное сотворение материи. Это радикальное предположение, однако, не является той причиной, по которой стационарная модель сегодня отвергнута. Подобно любой хорошей научной модели, стационарное состояние вело к множеству количественных проверяемых предсказаний, и эти предсказания вдохновили множество наблюдательных работ. В результате этих наблюдений стало ясно, что предсказания модели стационарного состояния не были верными.

В то время, когда была предложена модель стационарного состояния, модель Большого взрыва столкнулась с трудностями, поскольку величина постоянной Хаббла была явно выше, чем обратный возраст Вселенной. Если Вселенная одна и та же на все времена, то величина постоянной Хаббла действительно должна быть константой, поэтому уравнение v = dD/dt = HD должно иметь экспоненциальное решение и масштабный фактор изменяется в соответствии с

a(t) = exp(H(to-t))

Модель стационарного состояния приводит к некоторым точным предсказаниям. Первое, что необходимо проверить, затрагивает число слабых источников радиоизлучения. В 1950-х годах астрономы обнаружили, что источники радиоизлучения, как правило, являются гораздо более удаленными объектами, чем типичные оптические галактики, поэтому по космологическим причинам ожидались поправки к обычному закону исчисления источников. В стандартной модели Большого взрыва отсчеты, как ожидалось, должны падать ниже обычного уровня "в 8 раз больше источников при снижении предела яркости в 4 раза" этот закон примерно соответствует 1/(1+z)⁴, где z есть красное смещение источников. Этот закон предполагает, что источники радиоизлучения сохраняются, поэтому в данном секторе Вселенной имеется одно и то же количество источников радиоизлучения во все времена. Поскольку в ранние времена объем секции был меньше в (1+z)³ раз, действительная плотность источников радиоизлучения была выше в (1+z)³ раза. В модели стационарного состояния плотность, разумеется, была постоянной, поэтому корректирующий коэффициент соответствовал выражению 1/(1+z)⁷. На приведенной ниже диаграмме показано, что ожидалось и что увидели на самом деле:

Первоначально модель Большого взрыва предлагалась в контексте создания всех элементов. Однако нехватка стабильных ядер с атомным весом A=5 означает, что лишь изотопы водорода, гелия и следов лития были созданы в Нуклеосинтезе Большого взрыва. В исходных предположениях модели стационарного состояния, все более тяжелые элементы создаются в звездах путем выгорания водорода в гелий, а затем объединением нескольких ядер гелия [альфа-частиц] в более тяжелые ядра, такие как углерод (3 альфа-частицы) и кислород (4 альфа-частицы). Как правило, распространенности тяжелых элементов по отношению к водороду пропорциональны друг другу. Часть звезд имеет очень мало кислорода и они, обычно, также очень бедны железом, и так далее. Однако гелий является отчетливым исключением из этого правила. Существует не равный нулю минимальный уровень содержания гелия, в то время как содержание кислорода падает до нуля. Эта ситуация показана на графике справа, который показывает содержания гелия и кислорода по отношению к водороду по числу ядер на Солнце и в некоторых туманностях, содержащих ионизированный водород [H II области] в нашем Млечном пути [M42 является [ Туманностью Ориона ], M17 - [ Туманность Omega ]], в ближайших карликовых галактиках, известных как Большое и Малое Магеллановы облака [[ LMC ] и [ SMC ]], и других внегалактических областях H II. Этот график ясно показывает, что непрерывная линия, которая допускает изначальное создание гелия в ходе Большого взрыва, гораздо лучше удовлетворяет эксперименту, чем пунктирная линия, которая является предсказанием модели стационарного состояния без изначального гелия. Данные для этого графика были взяты из рисунка 1b [ недавнего исследования ] по содержанию элементов в Солнце. Незадолго до того, как открытие реликтового излучения прикончило модель стационарного состояния, Фред Хойл (Hoyle) и Тайлер (Tayler) (1964, Nature, 203, 1008) опубликовали работу "Тайна распространенности гелия в космическом пространстве" в которой они пришли к выводу, что большая часть гелия во Вселенной не была создана в звездах. Хойл допускал возможность взрывов сверхмассивных объектов, вместо одного Большого взрыва, однако обычные звезды исключались.

Позднее было сделано открытие космического реликтового излучения, и добило модель стационарного состояния. Вселенная теперь не создает реликтового излучения, поскольку она не изотермична и прозрачна, а не светонепроницаема. В модели стационарного состояния Вселенная всегда была одинаковой, поэтому в ней никогда не возникало реликтовое излучение. Следовательно, существование реликтового излучения исключает стационарное состояние. Кроме того, температура космического фона может быть измерена у некоторых очень далеких облаков, которые создают линиии поглощения в спектрах квазаров. Нейтральные атомы углерода в этих облаках возбуждаются до температуры возбуждения, которая может быть измерена с использованием отношения линий. Эти температуры возбуждения являются верхними пределами температуры реликтового излучения и показаны в виде треугольничков на графике справа. В некоторых облаках могут быть внесены поправки на другие источники возбуждения, позволяя прямое измерение T_реликт, показанные круглыми точками. Эти данные очень хорошо согласуются с эволюцией, ожидаемой в модели Большого взрыва: T_реликт = T_o(1+z), как показано красной линией на рисунке. Если даже существовал некий неизвестный механизм создания поля чернотельного излучения в модели стационарного состояния, его температура не менялась бы как функция красного смещения, как показано синей линией, и эти наблюдения отвергают данную модель.

Космология квазистационарного состояния является попыткой Хойла, Бербиджа (Burbidge) и Нарликара (Narlikar) допустить эволюцию температуры реликтового излучения и объяснить избыток слабых источников радиоизлучения во Вселенной, которое остается постоянным в течение очень длительного периода. Поверх экспоненциального роста масштабного фактора a(t) накладываются синусоидальные колебания, давая приведенную ниже пространственно-временную диаграмму.

В течение предыдущего большого цикла Вселенной, наш световой конус прошлого (красный) был очень большим, и это создало большое количество слабых источников. К сожалению для Хойла, Бербиджа и Нарликара эти источники смещены в фиолетовую область -- как показано голубой подсветкой на пространственно-временной диаграммме, а НИ ОДНОГО слабого источника радиоизлучения никогда не наблюдали со смещением в фиолетовую область спектра. Эти данные опровергают квазистационарную модель, существовавшую до публикации Хойла, Бебиджа и Нарликара -- поэтому квазистационарная модель определенно была ошибкой великих космологов.

Новая квазистационарная модель

Хойл, Бербидж и Нарликар не отказались от квазистационарной модели, а продолжили развивать её. В недавних работах они представили новую версию квазистационарной модели, которая имеет более тесную связь с физикой стандартной модели. В этой модели существует поле творения, которое создает плотность энергии, которая негативна и масштабируется как излучение. Эта отрицательная плотность энергии начинает доминировать при высоких красных смещениях, что в квазистационарной модели вызывает упругость. Повторное сжатие, которое приводит к периодической природе квазистационарной модели, вызывается отрицательной плотностью энергии вакуума. В результате эволюция масштабного фактора более не является синусоидой, модулированной экспонентой [красная пунктирная кривая справа], а выглядит значительно более подходящей функцией, показанной синим цветом.

Часть из того, что последует ниже, будет представлять собой в некоторой степени технические подробности, поскольку многие астрономы не захотят тратить время, необходимое для понимания того, о чем говорит квазистационарная теория. Если дано, что скорость расширения Вселенной стремится к нулю при a_min и a_max, и что кривизна равна нулю, то можно легко найти выражения для всех трех соответствующих плотностей, получив для z_max=5 и a_max/a_min=(1+0.811)/(1-0.811) величины W_vac = -0.358, W_m = 1.623, и W_rad = -0.271. Эти параметры, таким образом, дают параметр замедления q_o = 1.623/2+0.358-2*0.271 = 0.63.

Если параметр замедления близок к величине в модели Эйнштейна-де Ситтера q_o = 0.5, то не удивительно, что эволюция масштабного фактора a(t) от последнего минимума до настоящего времени тесно следует кривой этой модели. Приведенный справа рисунок показывает кривую модели Эйнштейна-де Ситтера красным, а кривую стационарного состояния - синим.

Заметим, что новая квазистационарная модель ускоряется лишь в ходе отскока. В другие периоды цикла она замедляется. Также заметим, что плотность материи в этой модели достигает примерно в 5 раз более высоких значений, чем наибольшие текущие оценки.

Единицами шкалы времени на этом рисунке является 1/H_o, поэтому время, прошедшее с момента последнего отскока в этой модели при выбранных параметрах почти в точности равно возрасту Вселенной в модели Эйнштейна-де Ситтера: H_ot = 2/3.

Если в модели происходит замедление вместо ускорения, то как может быть так, что [ Банержи (Banerjee) с соавт. (2000, AJ, 119, 2583) ] объявили, что они способны согласовать модель с данными по дальним сверхновым, которые являются доказательством ускоряющегося расширения? Ответ кроется в гашении излучения усами углерода и железа, которое квазистационарная модель использует, чтобы превращать свет звезд в фотоны реликтового излучения. Поскольку квази-модель имеет более высокие величины замедления, чем модель ЭдС, то она требует гораздо больше серой пыли, чем открытая модель и несколько больше, чем модель ЭдС, рассмотренная [ Акирой (Aguirre) (1999,] [ ApJL, 512, L19) ]. Рисунок справа показывает модули расстояний по отношению к c/H_o, DM = 5 log₁₀(D_L H_o/c), в зависимости от красного смещения для моделей, показанных на предыдущем рисунке. Красная кривая - модель ЭдС, черная - квазистационарная модель без поглощения. Синяя кривая - модель стационарного состояния. Сиреневая кривая соответствут наилучшему совпадению W_M=0.3 плоской модели с преобладанием вакуума. Зеленая кривая - квазистационарная модель с одной величиной затухания локально в расчете на радиус Хаббла. Зеленая кривая пересекает the magenta curve при z = 0.45, поэтому она совершенно соответствует данным сверхновых. Однако Акира и Haiman (2000, ApJ, 532, 28) обнаружили, что количество пыли, необходимое для перехода от модели ЭдС к наблюдательным данным сверхновых не соответствует данным реликтового излучения, поэтому несколько большее количество пыли, необходимое квазистационарной модели, также недопустимо.

При более высоких красных смещениях затухание очень быстро растет. Заметим, что уравнение (30) Банержи с соавт., которое дает величину затухания, как функцию красного смещения имеет серьезную ошибку, которая значительно влияет на результат при высоких красных смещениях. Использование верного уравнения дает кривую в координатах DM - z, показанную на рисунке справа. Черная кривая - это квазистационарная молель без затухания, показывает возврат к низким значениям DM [более яркие источники] в течение предыдущего максимума a(t), что в старой квазистационарной модели использовалось, чтобы объяснить избыток слабых источников радиоизлучения. Но с тем количеством пыли, какое требуется, для согласования с данными по сверхновым, существует настолько большое затухание в течение эпохи минимального размера, что становится невозможным увидеть что-либо вплоть до минимума.

В квазистационарной модели непрозрачность пыли для миллиметровых длин волн выше, чем оптическая светонепроницаемость, поэтому Вселенная должна быть оптически плотной при z=0.3 для реликтового излучения. Однако недавний препринт [ Нарликара с соавт. ], где имется неверный расчет для малого масштаба анизотропии реликтового излучения, предполагает, что Вселенная прозрачна вплоть до z_max. Поэтому, если Нарликар с соавт. правы, то Банержи с соавт. должны ошибаться, и наоборот. Эти работы не могут быть обе правильные, поскольку Банержи с соавт. требуют высокой поглощающей способности, тогда как Нарликар с соавт. требуют низкой поглощающей способности. Но на самом деле, обе эти работы ошибочны. Модель Нарликара с соавт. должна давать мелкомасштабную анизотропию реликтового излучения, являющуюся преобразованием Фурье для функции двухточечной корреляции галактик. Но функция двухточечной корреляции галактик является степенной, поэтому спектр угловой энергии реликтового излучения будет степенной функцией, и не будет иметь максимума. Нарликар с соавт. просто заявили, что максимум должен быть, без какой-либо ссылки или обоснования.

В 2002г, [ Нарликар с соавт. ] снова представили "Интерпретацию ускоряющейся Вселенной", которая требует низкой прозрачности, тогда как [ Нарликар с соавт. ] представили интерпретацию анизотропии реликтового излучения, которая требует высокой прозрчности. Эти статьи были размещены в разных журналах, и ссылались друг на друга, как на успешные вычисления в рамках модели квазистационарного состояния, но фактически они противоречат друг другу. Предположительно, это была умышленная попытка ввести в заблуждение случайного читателя, поскольку Банержи с соавт. должны были знать, что делают Нарликар с соавт..

Утверждение [ Нарликара с соавт. ] о том, что удалось согласовать модель с данными по анизотропии реликтового излучения, также является ложным. На приведенном выше графике показана предварительная WMAP компиляция данных по реликтовому излучению, наряду с красной и голубой кривой, которые являются версиями холодных моделей с доминированием темной материи с различными параметрами, приведена сплошная зеленая кривая из рисунка 4 из статьи [ Нарликара с соавт. ] Эта модель, очевидно, не соответствует данным COBE, опубликованным в 1992г. [ Нарликар с соавт.] скрыли это расхождение, изобразив лишь часть данных по реликтовому излучению.

Теория нуклеосинтеза в квазистационарной модели, приводящая к стандартной распространенности гелия, окончательно сформировалась в 1960-х годах, на основе восьмипараметрической группы ароматов SU(3). По некоторым причинам образовывались лишь верхний, нижний и странный кварки. Подавление части ароматов, изменяющее промежуточные потоки, означает, что все странные кварки распадались до верхних кварков, что приводило к большому избытку протонов над нейтронами. Но если допустить очарованые кварки, или все шесть ароматов кварков, тогда этот избыток протонов исчезает, и получается неверное соотношение H к He в конечной смеси.

© 1997-2004 Edward L. Wright. Последняя редакция 13 сентября 2004г
..:: Перевел с английского В.Г. Мисовец