Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
образом, мы приходим к процессу бесконечного возникновения Вселенных
нашего типа из флуктуирующего поля ф (Линде, 1986). Теперь нет надобности
полагать, что существовал выделенный момент рождения Вселенной как
целого. Этот процесс мог не иметь начала и не будет иметь конца.
Размер фридмановской области сейчас составляет величи-
1 2 2 105 *
ну проядка mPL ехр(2яфо/трО-10 , т. е. граница области находится далеко
за горизонтом. Поэтому у нас нет никакой надежды когда-либо проверить эту
картину, но философски она очень интересна.
Заметим, что в этой модели Вселенная в целом очень неоднородна и
топология ее отличается от^простой топологии фридмановской модели. Однако
в доступных нам масштабах использованная выше классификация заведомо
справедлива и, в частности, если Q > 1, может произойти коллапс нашей
части Вселенной.
160
10. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
Глава 10.
СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
Наша Вселенная однородна лишь в среднем, в очень больших масштабах ?3*200
Мпк. По мере уменьшения масштабов мы видим ярко выраженную иерархическую
структуру в'виде звезд и планет, шаровых звездных скоплений (L~ 1 пк),
галактик (L~ 10ч-100 кпк), их скоплений (?~10 Мпк) и сверхскоплений
(?~100 Мпк). Последние образуют во Вселенной относительно тонкие стенки
(L~10-20 Мпк), ограничивающие пустые области (точнее области с заметно
более низкой концентрацией светящегося вещества) размера 100-200 Мпк,
формируя, таким образом, ячеистую структуру Вселенной. В еще больших
масштабах неоднородности уже не видны. Помимо непосредственного
наблюдения светящегося вещества, об этом говорят изотропия реликтового
(малость бТ/Т) и рентгеновского фона. Из этих данных можно сделать вывод,
что неоднородности в масштабах 103- 104 Мпк не превышают 1%.
Как полагают, эта иерархическая структура возникла в результате
обусловленного гравитационной неустойчивостью роста каких-то
первоначально малых возмущений плотности. Вопрос о происхождении этих
исходных неоднородностей рассматривается в следующей главе. Они обязаны
своим происхождением физическим процессам на ранней (инфляционной) стадии
развития Вселенной и в силу этого их величина и характерные размеры
определяются фундаментальными постоянными физики микромира.
В этой главе мы будем считать начальные возмущения заданными и обсудим их
развитие со временем, их амплитуду и спектральное распределение,
необходимые для формирования наблюдаемой структуры. Обсуждаются также
форма и физические свойства невидимой материи, которая согласно
современным взглядам определяет образование структуры.
Мы начнем с более простого случая развития неоднородностей во Вселенной,
заполненной лишь барионной материей, переходя ниже к более
реалистическому случаю (по всей видимости) многокомпонентного -
"заполнения" Вселенной.
Материал этой главы в значительной степени использует обзор Я. Б.
Зельдовича [73], а также книгу Пиблса [28].
Современная структура Вселенной не является темой этой книги, поэтому
наше изложение будет очень кратким и ориентированным на те выводы из
наблюдений и теории развития структуры, которые касаются ранней
Вселенной.
1. НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РОСТА ВОЗМУЩЕНИЙ
161
§ 1. НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РОСТА ВОЗМУЩЕНИИ
Релятивистская теория развития возмущений в нестационарном мире была
предложена в 1946 г. Е. М. Лифшицем [22]. Качественно результаты можно
понять, однако, и в рамках ньютоновской гравитации. Физической причиной
роста возмущений плотности является гравитационное притяжение. Пусть на
фоне однородно распределенной материи в бесконечном пространстве с
плотностью ро возникает какая-то область с избытком плотности бр.
Очевидно, она будет притягивать к себе окружающее вещество. И если силы
давления не уравновесят гравитационных сил, эта неоднородность плотности
будет нарастать. В случае, когда размер области с избытком вещества L
достаточно велик, будут доминировать гравитационные силы. При малых L
доминируют силы давления. Легко понять, что по порядку величины границе
раздела между этими двумя возможностями отвечает равенство времени
свободного падения к центру выделенной области tgw (Gp0)_1/2 и времени
распространения звуковой волны ts~L/cs. Если tg<ts, то флуктуации
плотности нарастают. В противоположном ^случае tg>ts флуктуации плотности
представляют собой звуковые волны. Отсюда видно, что нарастают возмущения
лишь в достаточно больших областях с L>cs(Gpo)~1/2. Граничное значение
размера флуктуации называют длиной волны Джинса (который в начале века
исследовал задачу о гравитационной неустойчивости в ньютоновской теории
на стационарном фоне) и обозначают Xj. Ее точное значение отличается лишь
численным множителем от приведенного выше выражения:
Отсылая за выводом к [28, 73], укажем, что эволюция флуктуации плотности
с длиной волны X и амплитудой Аи определяется выражением
где k - 2л/%, а у = ± [4nGp0-k2Cs]l/2.
В пределе малых бр растущее решение можно представить в факторизованном
виде:
(10.1)
