Учебник космологии

Предыдущая часть

Часть 1: Наблюдения всеобщих свойств
Part 2: Гомогенность и Изотропия; Многие расстояния; Масштабный фактор
Part 3: Пространственная кривизна; Плоскостность-старость; Горизонт
Part 4: Инфляция; Анизотропия и негомогенность

Инфляция

"Инфляционный сценарий" развили Стробинский (Starobinsky) и Алан Гус (Alan Guth), они предложили решение проблемы плоскостности-старости и проблему горизонта. В Инфляционный сценарий вводится плотность энергии вакуума. Обычно мы полагаем вакуум пустым и не имеющим массы, но сейчас мы можем определить, что плотность вакуума составляет менее 10^-29 г/см³. Однако в теории квантового поля, вакуум не является пустым, а заполнен виртуальными частицами:

Виртуальные частицы на диаграмме пространства-времени

Приведеная выше диаграмма пространства-времени показывает пары частиц-античастиц, рождающихся из ничего, и затем аннигилирующих в ничто. Для частиц массы m, ожидается около одной виртуальной частицы в каждом кубическом элементе объема со стороной равной Комптоновской длине волны частицы, h/mc, где h - постоянная Планка. Таким образом, ожидаемая плотность вакуума составляет r = m⁴*c³/h³, что достаточно много. Для обычно рассматриваемых самых крупных по массе элементарных частиц, Планковская масса M определена как 2p*G*M² = h*c, а плотность составляет 2*10⁹¹ г/см³. Это двойка и 91 нолей! Таким образом, плотность энергии вакуума оказывается, по меньшей мере, на 120 порядков величины ниже, чем исходные квантовые оценки, поэтому должен работать очень эффективный механизм подавления. Если сегодня существует маленькая остаточная плотность энергии вакуума, то она приводит к понятию "космологической постоянной", которая является одним из предлагаемых механизмов, позволяющих ликвидировать разрыв между возрастом Вселенной в модели Omega_o=1, t_o = (2/3)/H_o = 9 Млрд.лет, и очевидным возрастом самых старых шаровых скоплений, 12-14 Млрд.лет. Плотность энергии вакуума может это сделать, поскольку она создает "отталкивающую гравитацию", которая приводит к ускорению расширения Вселенной вместо его замедления, и это увеличивает t_o при данной H_o.

В инфляционном сценарии предполагается, что энергия вакуума была очень велика в течение короткого периода ранней истории Вселенной. Если во Вселенной преобладает плотность энергии вакуума, то масштабный фактор растет экспоненциально, a(t) = exp(H(t-t_o)). Постоянная Хаббла в эту эпоху действительно постояна, и, таким образом, индекс "нулевое" не требуется. Если инфляционная эпоха длится достаточно долго, то экспоненциальная функция становится очень большой. Это делает a(t) очень большим, и, таким образом, делает радиус кривизны Вселенной очень большим. Приведенная ниже диаграмма показывает наш горизонт, наложенный на сферу очень большого радиуса вверху, или меньшую сферу внизу. Поскольку мы можем видеть лишь на расстоянии нашего горизонта, для инфляционного случая вверху сфера с большим радиусом выглядит для нас почти плоской.

Это разрешает проблему плоскостности-старости, если экспоненциальный рост инфляционной эпохи продолжается, по меньшей мере, 100 удвоений. Инфляция также решает проблему горизонта, поскольку будущий световой конус события, произошедшего перед инфляционной стадией, расширился на обширный участок в период инфляционного роста.
Инфляционная диаграмма пространство-время

Инфляционная диаграмма пространство-время

Эта диаграмма пространство-время показывает инфляционную эпоху, закрашенную зеленым, и будущие световые конусы двух событий карсным. Более раннее событие имеет будущий световой конус, покрывающий значительную площадь, которая может легко захватить весь наш горизонт. Таким образом, мы можем объяснить, почему температура реликтового излучения так однородна по всему небу.

Детали: Крупномасштабная структура и Анизотропия

Разумеется, на самом деле Вселенная не гомогенна, поскольку она включает в себя такие плотные участки, как галактики и люди. Эти плотные участки должны влиять на температуру реликтового излучения. Захс и Вольф (Sachs и Wolfe) (1967, ApJ, 147, 73) вычислили влияние пертурбаций гравитационного потенциала на реликтовое излучение. Гравитационный потенциал, y = -GM/r, будет отрицателен в плотных сгустках, и положительным в менее плотных областях. Фотоны теряют энергию, когда им приходится выбираться из потенциальных гравитационных колодцев этих сгустков:

Sachs-Wolfe effect conformal space-time diagram

Эта конформная пространственно-временная диаграмма выше показывает сгустки, как серые вертикальные полосы, эпоху до рекомбинации, как заштрихованную область, и гравитационный потенциал, как разноцветная кривая y(x). Там, где наш световой конус прошлого пересекает поверхность рекомбинации, мы видим возмущения температуры dT/T = y/(3*c²). Захс и Вольф предсказали размер температурных флуктуаций dT/T в 1 процент, однако мы знаем сегодня, что Вселенная гораздо более гомогенна, чем считали Захс и Вольф. Так, наблюдатели в течение ряда лет добивались достаточной чувствительности приборов, чтобы увидеть различия в температуре неба. Первой анизотропией была анизотропия диполя, которую обнаружил Конклин (Conklin) в 1969г:

Показанная выше карта получена спутником [COBE], исследующим микроволновое излучение, и она намного превосходит ту, что получил Конклин, в пределах 2 стандартных отклонений. Красная часть неба в (v/c)*T_o раза горячее, тогда как синяя часть неба холоднее в (v/c)*T_o раза, где влияющая скорость равна v = 368 км/сек. Именно так мы измеряем скорость Солнечной системы по отношению к наблюдаемой Вселенной. Через 23 года анизотропию, которую предсказали Захс и Вольф, обнаружил Смут (Smoot) с соавт. (1992, ApJL, 396, 1). Амплитуда была равна 1 части на 100,000 вместо 1 части на 100, но она отлично соответствовала величине Лямбда-холодной темной материи [Wright с соавт. 1992, ApJL, 396, 13].

Приведенная выше карта показывает анизотропию космоса (и шум детектора) после того, как были вычтены вклады диполей и излучение от Млечного пути. Анизотропия на этой карте имеет величину температурных колебаний в 30 микрокельвинов, и если её перевести в гравитационный потенциал, используя результаты Захса и Вольфа, и этот потенциал затем выразить как высоту, полагая постоянное гравитационное ускорение равным гравитации на Земле, то мы получим высоты, равные удвоенному расстоянию от Земли до Солнца. "Горы и долины" Вселенной действительно велики.

Инфляционная модель предсказывает определенные статистические структуры в анизотропии. Квантовые флуктуации, как правило, затрагивают очень небольшие области пространства, однако обширное экспоненциальное расширение в инфляционную эпоху делает эти крошечные области наблюдаемыми.

Inflation generating equal power on all scales

Пространственно-временная диаграмма слева вверху показывает будущий световой конус события квантовой флуктуации. Верхняя часть этой диаграммы на самом деле является объемом, который пересекает наш световой конус прошлого, образуя небо. Будущие световые конусы событий образуют на небе круги. События, произошедшие в инфляционную эпоху раньше, создают световые круги большего радиуса на небе, как показано на нижней справа карте. Более поздние события создают световые круги меньшего размера, как показано на средней карте, однако их больше, поэтому доля покрытия неба та же, что и раньше. Еще более поздние события создают множество малых световых конусов, которые также дают ту же долю покрытия неба, как видно на верхней карте.

Анимированный GIF-файл, показывающий пространственную часть приведенной пространственно-временной диаграммы, как функцию времени, приведен здесь [1.2 MB].

Структура, образующаяся путем сложения всех эффектов событий всех веков, известна под именем "равная мощность на всех частотах", и она согласуется с данными спутника COBE.

Обнаружив, что наблюдаемая структура анизотропии соответствует модели инфляции, мы можем также спросить, достаточно ли велики возникающие гравитационные силы, чтобы создать наблюдаемую картину галактик.

phi(x) и групирование галактик конформные
пространственно-временные диаграммы

Приведенная выше пространственно-временная диаграмма показывает &phi (x) в момент рекомбинации, определенную по данным о dT от спутника COBE, и мировые линии галактик, которые возмущаются гравитационными силами, создаваемыми градиентом потенциала. Материя стекает "по склонам" с пиковых потенциалов (красные пятна на карте спутника COBE), образуя пустоты в современном распредлении галактик, тогда как долины потенциала (синие пятна) это области, где образуются скопления галактик.

COBE не способен увидеть такие малые пятна, как скопления или даже сверхскопления галактик, но если мы воспользуемся принципом "равной энергии на всех частотах" для экстраполяции данных COBE к меньшим шкалам, то обнаружим, что гравитационные силы достаточно велики, чтобы создать наблюдаемое скучивание, однако лишь при том условии, что этим силам не противостоят другие силы. Если всё вещество во Вселенной состоит из обычных химических элементов, то перед рекомбинацией существовали очень эффективные противостоящие силы, поскольку свободные электроны, ныне связанные в атомах, были очень эффективны в рассеянии фотонов космического фона. Таким образом, мы приходим к выводу, что большая часть материи во Вселенной является "темной материей", которая не испускает, не поглощает и не рассеивает свет. Более того, наблюдения далеких сверхновых показали, что большая часть плотности энергии во Вселенной это плотность энергии вакуума ("темная энергия"), подобная космологической постоянной Эйнштейна, которая обеспечивает ускоряющееся расширение Вселенной. Эти странные выводы получили сильное подтверждение данными о температурной анизотропии при небольших углах сканирования, которые были получены с помощью Датчика микроволновой анизотропи Вилкинсона (Wilkinson) - (WMAP) в 2003г.

Домашняя страничка Неда Райта (Ned Wright)