Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности - Вейнберг С.
Скачать (прямая ссылка):
Теперь можно написать формулу для плотности масс галактик во Вселенной:
=4,6'IO-9M0Znc (75 км;;°,Мпс) )2= = 3,1.10-4 г/смз(75 км^.Мдс))2. (15.2.13) Это дает значение меньше критической плотности (15.2.3):
0,028. (15.2.14)
Ркр
(Позднее Нунан [И] и С. Шапиро [12] получили для этого отношения оценки, равные 0,016 и 0,010.) Отметим, что эти результаты не зависят от того, каково истинное значение постоянной Хаббла. Кроме того, хотя pG не получается равным ркр, все же их значения близки друг другу настолько, чтобы обеспечить уверенность в том, что в расширении Вселенной действительно «замешано» тяготение.
Если бы масса Вселенной была первоначально сконцентрирована в галактиках, то, согласно (15.2.14) и (15.2.6), параметр замедления был бы равен
q0 «0,014, если ро «Pg> (15 2.15)
откуда следовало бы, что Вселенная открытая, т.е. ее кривизна отрицательна и R0 « Hq1- Это значение q0 не согласуется с результатом, полученным по красным смещениям и светимостям, который лает q0 «1, правда, без учета эволюции и эффектов селекции. Конечно, эволюция и селекция могут оказать значительное влияние на измерения д0, но все же если временно согласиться с тем, что q0 порядка единицы, то нужно согласиться и с тем, что плотность масс около 2-10-29 г/см3 должна быть обнаружена где-то вне обычных галактик. Но где?
Один район для поисков недостающей массы — это межгалактическое пространство внутри скоплений галактик. В Волосах Вероники есть богатое скопление эллиптических галактик, которые, судя по ровным очертаниям скопления, видимо, связаны гравитационно. Если это так, то масса скопления определяется вириальной формулой (15.2.7). При этом получаются значения ¦512
Гл. 15. Космология; эталонная модель
MIL, которые от 4 до 20 раз больше, чем MIL для отдельных эллиптических галактик [13—15] (см. также [3, 5, 6]) [считаем, что H0 = 75 км/(с -Mnc)]. Если в скоплениях в самом деле в 20 раз больше вещества, чем сумма масс их галактик, то плотность вещества во Вселенной приближается к критической плотности (15.2.3). Действительно, был открыт рентгеновский источник [16—25], заполняющий все скопление в Волосах Вероники, что дает основание предполагать наличие межгалактического газа из ионизованного водорода при температуре порядка 7-Ю7 К. Однако мощность излучения этого источника говорит о том, что масса газа составляет лишь около 1 % той массы, которая получается из теоремы вириала. Возможно также, что скопление в Волосах Вероники вообще не связано гравитационно [26]; в этом случае теорема вириала сильно завышает его массу. Многие богатые скопления, такие, как скопления в Деве или Геркулесе, крайне иррегулярны и, видимо, вообще неустойчивы.
Если недостающая масса не обнаруживается внутри скоплений галактик, то мы должны искать ее в пространстве между скоплениями. Одно из разумных требований состоит в том, чтобы плотность пространства между скоплениями была меньше плотности внутри скоплений, так чтобы скопления представляли собой заметные сгущения. Полный объем пространства вне скоплений приблизительно в 500 раз больше объема скоплений, и, следовательно, плотность внутри скоплений приблизительно в 500 раз больше, чем Pg из (15.2.13), т. е. около IO"28 г/см3. Поэтому если плотность вне скоплений даже на порядок величины меньше плотности внутри скоплений, то все равно в пространстве между скоплениями места в избытке для всей недостающей нам массы.
Можно думать, что недостающая масса — это масса нормальных звезд, которые встречаются в межгалактическом пространстве (вне или внутри скоплений), или карликовых галактик, которые, будучи слишком холодными, невидимы. Из ограничений на внегалактический вклад в яркость ночного неба х) Пиблз и Парт-ридж [98] оценили, что полная плотность массы нормальных звезд, где бы они ни находились, должна быть меньше 0,13ркр. Эта оценка не устраняет возможности того, что недостающая масса содержится в холодных звездах с очень высокими значениями MIL, в карликовых галактиках или в межгалактическом пространстве. Сразу возникает мысль о «черных дырах», о которых говорилось в § 9 гл. И. Однако оценки масс галактик, приведенные выше, показывают, что типичные галактики не содержат большого количества холодных звезд и было бы странно, если бы такие звезды преобладали где-то в другом месте. Еще одна возможность состоит в том, что недостающая масса входит в массу целых галак-
*) Наблюдательные данные по яркости ночного неба см. в [27]. § 2. Плотность и давление во Вселенной в настоящее время 513
тик, уже претерпевших гравитационный коллапс. Трудно представить, как можно иначе проверить эту гипотезу, кроме как наблюдать или «агонию» коллапсирующей галактики, или отклонение луча света, проходящего близко от сколлапсировавшей галактики.
Недостающая масса может быть обнаружена в виде ультрарелятивистских частиц, таких, как космические лучи, фотоны, нейтрино и гравитоны. Легко видеть, что фотоны и нейтрино, образовавшиеся в обычных термоядерных процессах, не могут иметь плотность энергии, сравнимую с обычной нерелятивистской массой покоя, ибо даже если когда-то Вселенная состояла из чистого водорода и из него все время «изготовлялось» железо, го высвободившаяся при этом энергия была бы самое большее около 9 МэВ на нуклон, т.е. 1 % массы нуклона. Если вклад ультрарелятивистских частиц преобладает в плотности масс Вселенной, то они должны либо рождаться в экзотических процессах пша аннигиляции вещества и антивещества и гравитационного коллапса, либо сохраниться от ранних стадий развития Вселенной. Наблюдаемая плотность полного потока излучения слабых дискретных радиоисточников на частоте v по порядку величины равна
