Sötét anyag és sötét energia az univerzumban. 3. Az univerzum a múltban

Sötét anyag és sötét energia az univerzumban

Valery Anatolyevich Rubakov,
Nukleáris Kutató Intézet, RAS, Moszkva, Oroszország

Az előadás bemutatása (pdf, 2 Mb)

Videó letöltése (avi): 1. rész (180 MB), 2. rész (210 MB), 3. rész (250 MB)

  • 1. Bevezetés
  • 2. Az Univerzum kiterjesztése
  • 3. Az univerzum a múltban
  • 4. Az energiák egyensúlya a modern univerzumban
  • 5. Sötét anyag
  • 6. Sötét energia
  • Következtetés

3. Az univerzum a múltban

Beszéljünk a Világegyetem evolúciójának két szakaszáról, amelyekről ma megbízható megfigyelési adatok állnak rendelkezésre. Az egyikük, egy viszonylag újabb, az anyag átmenete az Univerzumban a plazmaállapotból gázállapotba. 3000 fokos hőmérsékleten történt, és az Univerzum kora akkoriban 300 ezer év volt (elég egy kicsit a jelenlegi 14 milliárd évhez képest). Ezt megelőzően az elektronok és a protonok egymástól elkülönítve mozogtak, az anyag plazma volt. 3000 fokos hőmérsékleten az elektronok és a protonok hidrogénatomokká olvadtak össze, és a világegyetem tele volt ezzel a gázzal. Fontos, hogy a plazma elektromágneses sugárzásra átláthatatlan; a fotonok folyamatosan felszívódnak, felszívódnak, a plazmaelektronok szétszórják. A gáz ellenben átlátható.Tehát az elektromágneses sugárzás, amely 2,7 ​​fokos hőmérsékleten jött el hozzánk, az Univerzumban szabadon eljutott a plazma-átmenet pillanatától, és azóta 1100-szor lehűlött az Universe terjeszkedése miatt. Ez az ereklyes elektromágneses sugárzás megőrizte az univerzum állapotáról szóló információt a plazma-gáz átmenet idején; Segítségével 300 ezer éves korban a világegyetem fényképe (szó szerint!), amikor a hőmérséklet 3000 fokos volt.

Ez a relikvium elektromágneses sugárzás hőmérsékletének mérése különböző irányok az égen megtudjuk, mely területek voltak melegebbek vagy hidegebbek (és ezért sűrűbbek vagy vékonyabbak voltak), mint az Univerzum átlaga, és ami a legfontosabb, mennyire voltak melegebbek vagy hidegebbek. Ezeknek a méréseknek az eredménye, hogy a 300 ezer éves korszakban a Világegyetem sokkal homogénebb volt, mint a mai napig: a hőmérséklet és a sűrűség változása 10 év alatt volt-4 (0,01%) átlag. Azonban ezek a változatok léteztek: különböző irányokból az elektromágneses sugárzás kissé eltérő hőmérsékletű. Ez látható a 3. ábrán. 3, amely a hőmérséklet-eloszlást ábrázoljaaz égi szféra (a korai univerzum fényképe) mínusz az átlagos hőmérséklet 2,725 Kelvin; a hidegebb területek kék, melegebb területeken piros színnel jelennek meg4.

A képen látható fénykép Ábra. 3számos fontos és váratlan következtetésre vezetett. Először is megmutatta, hogy a háromdimenziós térünk jó pontossággal euklideszi: a háromszög szögének összege 180 fokban is olyan háromszögek esetén, amelyeknek hossza összehasonlítható a világegyetem látható részének nagyságával. év. Általánosságban elmondható, hogy az általános relativitáselmélet feltételezi, hogy a tér nem euklideszi, hanem ívelt; A megfigyelési adatok azt mutatják, hogy ez nem így van (legalábbis az Univerzum régiójában). A kozmológiai távolsági skálák "háromszög szögének összege" mérésének módszere a következő. Lehetőség van megbízhatóan kiszámítani azon területek jellemző térbeli méretét, ahol a hőmérséklet eltér az átlagtól: az átmeneti plazma-gáz idején ezt a méretet az Univerzum kora határozza meg, ami 300 ezer könnyű évvel arányos. Ezeknek a régióknak a megfigyelt szögmérete függ a háromdimenziós tér geometriájától, ami lehetővé teszi annak megállapítását, hogy ez a geometria euklideszi.

A háromdimenziós tér euklideszi geometriája esetében az általános relativitáselmélet egyértelműen összekapcsolja az Univerzum kiterjedésének mértékét a teljes az összes energiaforma sűrűségevalamint a Föld forgásának a nap körül Newton-elméletben való meghatározását a Nap tömege határozza meg. A mért expozíciós sebesség megfelel a modern univerzum teljes energiasűrűségének.

A tömegsűrűség tekintetében (mivel az energia a tömeghez viszonyítva kb E = mc2) ez a szám

Ha az Univerzumban lévő energiát teljes mértékben a rendes anyag többi energia határozta meg, akkor átlagosan 5 protont jelentene egy köbméterben az Univerzumban. Látni fogjuk azonban, hogy a világegyetem közönséges anyaga sokkal kisebb.

Másodszor, a fényképről Ábra. 3 beállíthatja, mi volt érték (Amplitúdó) inhomogenitása hőmérséklet és sűrűség a korai univerzumban – ez 10 volt-4-10-5 az átlagtól. E sűrűségű inhomogenitásokból származtak olyan galaxisok és galaxiscsoportok, amelyeknek nagyobb sűrűsége a gravitációs erők miatt a környező anyagot magához vonta, egyre sűrűbbé és végül galaxisokké alakultak.

Mivel a kezdeti sűrűségű inhomogenitások ismertek, a galaxisok képződésének folyamata kiszámítható, és az eredmény összehasonlítható a galaxisok megfigyelt eloszlásával az Univerzumban. Ez a számítás csak akkor felel meg a megfigyeléseknek, ha feltételezzük, hogy a közönséges anyag mellett van egy másik típusú anyag az Univerzumban: sötét anyag, amelyeknek a teljes energiasűrűséghez való hozzájárulása ma mintegy 25%.

Ábra. 4

Az Univerzum evolúciójának egy újabb szakasza még a korábbihoz képest is 1-100 másodpercig tart. (!) A nagy bumm, amikor az Univerzum hőmérséklete elérte a milliárd fokot. Ebben az időben a világegyetemben a termonukleáris reakciók hasonlóan alakultak ki, mint a Nap közepén vagy egy termonukleáris bombában. Ezeknek a reakcióknak köszönhetően a neutronokkal és a képződött könnyű magokkal – heliummal, deutériummal és lítium-7 maggal – kapcsolatos protonok egy része. A képződő könnyű magok számát lehet kiszámítani, az egyetlen ismeretlen paraméter pedig a protonok száma az Univerzumban (ez utóbbi természetesen az Univerzum kiterjesztése miatt csökken, de értékei különböző időpontokban egyszerűen összekapcsolódnak egymással).

Ezt a számítást összehasonlítjuk a világegyetem megfigyelt világossági számával Ábra. 4: a sorok egy elméleti számítás eredményeit ábrázolják egyetlen paraméter függvényében – egy közönséges anyag (barionok) és négyszögek – megfigyelési adatok sűrűsége. Figyelemre méltó, hogy mindhárom könnyű magra (hélium-4, deutérium és lítium-7) egyetértés van; Egyetértünk a háttérsugárzás adataival (a 4. ábrán látható függőleges sáv, amelyet MW – Cosmic Microwave Background jelez). Ez a megállapodás azt jelzi, hogy az általános relativitáselmélet és a nukleáris fizika jól ismert törvényei helyesen írják le az Univerzumot 1-200 másodperc alatt, amikor az anyag milliárd fokkal és ennél több. Fontos számunkra, hogy ezek az adatok azt a következtetést vonják le, hogy a modern univerzumban a közönséges anyag tömegsűrűsége

vagyis a közönséges anyag a teljes energia sűrűségének csak 5% -át adja az Univerzumban.


4 Megfigyelések a műholdról WMAP.


Like this post? Please share to your friends:
Sötét anyag és sötét energia az univerzumban ">
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: