Файл: Шама Д.В. Современная космология.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 108

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

2-18

ГЛАВА 16

 

положительному

результату, который подтвердил бы

всю

эту вереницу

предположений.

Однако есть некоторые сложности. Галактика как це­ лое может иметь относительно поля фонового излучения как поступательную, так и вращательную скорость. По­ лагают, что это действительно так. Анализ скоростей галактик Местной системы показывает, что скорость на­ шей Галактики относительно Местной системы как це­ лого около 100 км/с. Кроме того, есть некоторое указа ­ ние на принадлежность Местной системы к сверхскоп­ лению галактик, центр которого лежит в скоплении в

созвездии

Девы . Это сверхскопление, по-видимому, так­

ж е имеет

сплюснутую форму,

что, возможно, является

признаком

его вращения как

целого. Это предположе­

ние недавно было заново проанализировано с учетом современных данных о расстояниях и скоростях бли­ ж а й ш и х галактик. Результаты получились совершенно неопределенные; по-видимому, Местная система может вращаться вокруг скопления в созвездии Девы со ско­

ростью около

300 км/с, что

затрудняет

сравнение

лю­

бых будущих

наблюдений

24-часовых

вариаций

фона

с известным вращением Галактики. К тому же, воз­

можно, следует ввести поправку на

дифференциальное

расширение сверхскопления

и д а ж е

на движение его

центра тяжести относительно

далекой

материн.

Если будет можно отделить эти маскирующие эф­ фекты и окажется, что сверхскопление вращается с пред­

сказываемой

скоростью, то

стало бы возможно прове­

рить принцип

Маха с гораздо большей

точностью. Д е л о

в том, что, хотя линейная

скорость вращения

Местной

системы вокруг скопления

в созвездии

Девы

была бы

такого ж е порядка, что и скорость вращения Солнца во­ круг центра Галактики, угловая скорость Местной си­ стемы должна быть гораздо меньше угловой скорости

Солнца в Галактике,

поскольку скопление

в

созвездии

Д е в ы намного дальше

от ее центра. Если

из

будущих

наблюдений 24-часовых вариаций фона обнаружится вращение сверхскопления, то это проверит принцип Маха с точностью до 10~3 " в столетии, что в 500 раз превышает существующую в настоящий момент. Таким


И З О Т Р О П Н О С ТЬ КОСМИЧЕСКОГО И З Л У Ч Е Н И Я

249

образом, измерения фона, возможно, дадут нам нужную информацию, касающуюся как природы местного сверх­

скопления,

так

и справедливости принципа М а х а * ) .

И з о т р о п н о с т ь

Вселенной

Предел,

полученный П а р т р и д ж е м и Уилкинсоном для

12-часовых вариаций фона, уверенно показывает, что расширение Вселенной с большой точностью изотропно. Возникает вопрос: почему Вселенная столь изотропна? Один из возможных ответов состоял бы в том, что изо­ тропной являлась сама сингулярность, из которой воз­ никла Вселенная, или, другими словами, что это внут­ реннее свойство материи. Такой ответ не кажется нам вполне удовлетворительным. Лучшее решение было

предложено Мизнером

и Дорошкевичем, Зельдовичем

и Новиковым. Согласно

их предположению, Вселенная

первоначально могла быть сильно анизотропной, но фи­ зические процессы, происходившие на ранних стадиях расширения, уменьшили анизотропию до очень малень­ кой величины. С точки зрения Мизнера, это явилось бы частным примером общего положения, что в значитель­ ной своей части современная структура Вселенной бо­ лее или менее независима от начальных условий. Если такое утверждение справедливо, то было бы возможно однозначно «предсказать» многие из наблюдаемых черт Вселенной как следствия общей теории относитель­ ности и других законов физики, которые можно при­ менить к данному случаю. Изучение' так называемой «программы Мизнера» находится пока в зачаточном со­ стоянии, однако оно будет иметь, по всей видимости, все возрастающее значение в теоретической космологии будущего.

Между тем нам хотелось бы кратко описать работу Мизнера об уменьшении анизотропии в расширяющейся Вселенной. Первоначально он ограничился однородными моделями, в которых пространство в любой момент вре­ мени является плоским (что аналогично случаю k = О

*) Хокииг показал недавно, что наблюдаемая изотропия микро­ волнового фона дает предел «абсолютной» угловой скорости Все­ ленной меньше 10°" в столетие.



250 ГЛАВА 16

для моделей Робертсона — Уолкера) . По-видимому, наи­ более важным механизмом уменьшения анизотропии яв­ ляется взаимодействие между нейтрино, рожденными в результате тепловых столкновений, и электрон-пози-

тронными

парами, которое

имело место при темпера­

туре Вселенной около

101 0

К.

Если в то время суще­

ствовала

анизотропия

скоростей

расширения Вселенной,

то в разных направлениях нейтрино испытывали бы раз ­ личное допплеровское смещение, но столкновения ней­ трино с электрон-позитроннымн парами стремилось бы изотропизнровать нейтрино, что в свою очередь привело бы к изотропизации расширения, так как гравитацион­ ное действие нейтрино должно было сильно влиять на динамику Вселенной. Насколько существенной яв­ ляется нейтринная вязкость, зависит от силы взаимо­ действия между нейтрино и электрон-позитронными парами. Эта сила не измерена в лаборатории, но счи­

тается, что

она

может быть

получена

из теории, которая

очень хорошо

описывает аналогичные

экспериментально

изученные

взаимодействия.

Это

теория Фейнмана —

Гелл-Мана.

Она построена

на

симметрии, связываю ­

щей нейтрино-электронное взаимодействие с изученными взаимодействиями. Мизнер показал, что если теоре­ тически рассчитанная сила взаимодействия верна, то 12-часовая анизотропия фонового излучения была бы

сейчас меньше 0,03%

при

большом

диапазоне

 

первич­

ной

анизотропии.

Этот

результат

находится

в

согласии

с наблюдениями П а р т р и д ж а

и

Уилкинсона,

которые

дали верхний предел 0,2%. Мизнер показал также,

что

при

тех

ж е

характерных

размерах

первичных

 

неодно-

родностей

любая

анизотропия, сохранившаяся

к

момен­

ту,

когда" температура

была

109 К,

оказалась

бы

слиш­

ком

слабой,

чтобы заметно

повлиять на процесс

пер­

вичного образования гелия. Эти результаты несомненно имеют большое значение, и можно надеяться, что они сохранятся и в более общих моделях, что еще пред­ стоит в ы я с н и т ь * ) .

*) Последние исследования заставляют предположить, что про­ грамма Мизнера объяснения наблюдаемой симметрии Вселенной с точки зрения диссипативных процессов может иметь существенные ограничения.


И З О Т Р О П Н О С ТЬ КОСМИЧЕСКОГО И З Л У Ч Е Н И Я 251

Н е о д н о р о д н о с т ь Вселенной

М е л к о м а с ш т а б н ые неоднородности во Вселенной (га­ лактики, скопления галактик) оказывают пренебрежимо

Рис.69, а — сферически

симметричное возмущение во Вселенной.

б — профили

температуры

вдоль такого возмущения при плотности

последнего

в 3

раза больше, чем плотность окружающего фона.

Д7УГ выражено

в долях ОМѴ/с2Я, где V и R — соответственно

скорость и радиус невозмущенной границы. Профили получены для

следующих

моделей:

/ — окружающий

мир не

замедляется и

2 — Вселенная Эйнштейна — де Ситтера.

 

 

малое

влияние на

микроволновое

излучение. Однако в

гл. 7

мы

видели,

что квазары,

возможно,

образуют

252 ГЛАВА 16

скопления размерами около 1000 Мпс, и это может быть связано с крупномасштабными флуктуациями плотности вещества во Вселенной. Такая крупномасштабная флук­ туация могла бы оказать доступное измерениям влияние на микроволновый фон — мысль, впервые высказанная Саксом и Вольфом. Если рассчитать профиль интенсив­ ности по области с высокой плотностью, которая окру­ жена областью с низкой плотностью, то получится ре­

зультат,

показанный на

рис.

69. Зона

протяженностью

750

Мпс

и

с

красным

смещением

1,5

при

отношении

плотностей

3:

1 вызывала

бы

флуктуации

интенсивно­

сти

0,3%

Для

характерного

углового

размера

около 15°.

В будущем такую флуктуацию можно было бы обна­ ружить.

З а к л ю ч е н ие

Читателю должно быть ясно, что на протяжении этой

главы мы не смогли довести

до конца наши рассужде­

ния, поскольку наблюдения

пока еще недостаточно

полны, чтобы подтвердить их. Что, однако, важно и что оправдывает написание этой главы — это то, что на­ блюдения, вероятно, только начались. Может быть, бу­ дет открыто гораздо больше квазаров с большими крас­ ными смещениями, и изучение углового распределения космического микроволнового излучения делает лишь первые шаги. Бесспорно, необходимо полное картогра­ фирование неба с относительной точностью не хуже 0,1% для различных угловых масштабов. Когда это будет

сделано, мы будем обладать новой мощной

информа­

цией о справедливости принципа Маха,

о

существова­

нии и структуре сверхскоплений галактик

и

о

свойствах

крупномасштабных флуктуации плотности в распреде­ лении вещества. Здесь мы стоим на пороге космологии будущего.