Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
Первоначальная модель с относительно тяжелым аксионом (та= \ =0,1 - 1
МэВ) была довольно быстро закрыта экспериментом, а в настоящее время
рассматривается вариант почти стерилы I лого легкого аксиона (та-10-5
эВ). Как раз последний слу-I лай может быть существенным для космологии.
Теплая скрытая материя занимает промежуточное место . аежду горячей и
холодной; для нее затухание возмущений из-ia свободного разлета
начинается на галактическом масшта-
178
10. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
бе. Носителями теплой скрытой массы могут быть частицы с массой около 1
кэВ, взаимодействующие гораздо слабее, чем нейтрино. Из-за относительно
большой массы их концентрация должна быть на несколько порядков ниже
концентрации реликтовых фотонов.
К тому моменту, когда частицы теплой скрытой массы (как, впрочем, и
холодной) становятся нерелятивистскими, их плотность энергии все еще
относительно мала, и во Вселенной доминирует релятивистское вещество. В
этом состоит важное отличие от случая горячей скрытой массы. Флуктуации
плотности релятивистской материи с длиной волны меньше горизонта, как мы
отмечали, на этом этапе не растут, а осциллируют. Так как релятивистская
материя доминирует в общей плотности энергии, а вклад невидимой материи
мал, то это приводит к замораживанию роста флуктуаций в скрытой массе,
который возобновляется лишь на стадии нерелятивистской доминантности.
В модели с теплым скрытым веществом сначала образуются галактики и малые
скопления галактик, а позже структуры больших размеров.
В принципе в моделях с теплой и/или холодной скрытой материей, по-
видимому, можно получить удовлетворительное описание крупномасштабной
структуры Вселенной, однако окончательного, полностью надежного расчета
ни в одной из моделей (включая и горячую нейтринную) пока не проделано.
Заметим, что в сценарий" инфляционной Вселенной предсказывается ?2=1,
однако астрономические наблюдения указывают на ?2=0,2-0,3. Выход из этого
противоречия состоит в том, что, помимо кластеризованной материи, имеется
однородно распределенный фон с ?2ф=0,7-0,8, к которому астрономические
наблюдения не чувствительны. Физическим источником этого фона могли бы
быть распады очень долгоживущих частиц скрытой массы (т= 105- 107 лет),
или космологическая постоянная. В многокомпонентной модели такого рода
можно получить лучшее количественное описание структуры, чем, скажем, в
простой нейтринной модели.
Говоря о количественном описании структуры, мы пока не упомянули о том,
какими методами это делается. А эта задача не столь уж тривиальна. Одним
из способов является использование корреляционных функций, т. е.
пространственных средних произведения плотности материи в разных точках
р(х)р(у). Таким образом, можно количественно определить, каков
характерный размер космических скоплений, но он ничего не говорит об их
форме, в частности не позволяет различить клеточную структуру и отдельные
сгустки. Красивый способ, не обладающий этим недостатком, был предложен
С. Ф. Шандариным. Он основан на использовании понятия
8. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ФЛУКТУАЦИИ
179
перколяции и состоит в следующем. Рассмотрим как-то распределенные в
пространстве объекты и окружим (мысленно) каждый объект сферой радиуса R.
Объекты будем называть объединенными, если один из них находится внутри
сферы, окружающей другой. Теперь будем увеличивать R до тех пор, пока
объединенные объекты не образуют цепи, проходящие через все пространство.
Соответствующее этому критическое значение радиуса обозначим Rc.
Характерной безразмерной величиной, которая используется в нашем анализе,
является среднее число объектов внутри сферы радиусом Rc:
N =-- Rln, (10.15)
"3
где п - средняя плотность объектов.
Если для однородно распределенных объектов Rc и N имеют какие-то значения
Rcо и N0, то для объектрв, образующих отдельные сгустки, Rc и N окажутся
больше Rcq и Nq. Напротив, в случае клеточной структуры Rc и N будут
меньше. Таким образом, Rc и N отклоняются в разные стороны от однородного
случая для кластеризованных объектов и для ячеистой структуры. Анализ
распределения галактик с помощью этого критерия свидетельствует в пользу
клеточной структуры Вселенной, что характерно для адиабатических
флуктуаций и противоречит простейшему варианту изотермических.
§ 8. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ФЛУКТУАЦИИ
В изотермических возмущениях температура и плотность излучения однородны,
а плотность жестко связанного с радиацией вещества (до момента
рекомбинации) варьируется. Для таких возмущений все длины волн вплоть до
горизонта не затухают на всей радиационно доминированной стадии. Более
того, имеется специфический механизм роста флуктуаций, связанный со
следующим процессом. По мере расширения Вселенной области с избытком
барионов остывают несколько ско-рере, чем с недостатком, из-за передачи
энергии от излучения к нерелятивистским частицам. Излучение диффундирует
в область более низкой температуры, увлекая связанные с ним ба-рионы, что
