Temná hmota a temná energia vo vesmíre. 3. Vesmír v minulosti

Temná hmota a tmavá energia vo vesmíre

Valery Anatolyevich Rubakov,
Inštitút pre jadrový výskum, RAS, Moskva, Rusko

Prezentácia prednášky (pdf, 2 MB)

Stiahnuť video (avi): Časť 1 (180 MB), Časť 2 (210 MB), Časť 3 (250 MB)

  • 1. Úvod
  • 2. Rozšírenie vesmíru
  • 3. Vesmír v minulosti
  • 4. Rovnováha energií v modernom vesmíre
  • 5. Tmavá hmota
  • 6. Tmavá energia
  • 7. Záver

3. Vesmír v minulosti

Prediskutujeme dve etapy vývoja vesmíru, o ktorých sú dnes k dispozícii spoľahlivé pozorovacie údaje. Jeden z nich, relatívne nedávny, je fázou prechodu hmoty vo vesmíre z plazmového stavu do plynného stavu. Stalo sa to pri teplote 3000 stupňov a vek vesmíru v tom čase bol 300 tisíc rokov (pomerne málo v porovnaní so súčasnými 14 miliardami rokov). Predtým sa elektróny a protóny pohybovali oddelene od seba, látka bola plazma. Pri teplote 3000 stupňov sa elektróny a protóny zlúčili do atómov vodíka a vesmír bol naplnený týmto plynom. Je dôležité, aby bola plazma neprístupná elektromagnetickému žiareniu; fotóny sú stále emitované, absorbované, rozptýlené plazmovými elektrónmi. Plyn je naopak transparentný.Takže elektromagnetické žiarenie, ktoré prišlo k nám s teplotou 2,7 stupňa, voľne prechádzalo vo vesmíre od okamihu prechodu plazmového plynu, ktoré odvtedy chladilo (zčervenalo) 1100 krát vďaka rozšíreniu vesmíru. Toto reliktné elektromagnetické žiarenie si uchovalo informácie o stave vesmíru v čase prechodu plazmového plynu; s jeho pomocou máme fotografiu (doslova!) vesmíru vo veku 300 tisíc rokov, keď jeho teplota bola 3000 stupňov.

Meranie teploty tohto reliktívneho elektromagnetického žiarenia, ku ktorému sme prišli v rôznych smeroch na oblohe zisťujeme, ktoré oblasti boli teplejšie alebo chladnejšie (a teda hustšie alebo tenšie) než priemer vo vesmíre, a čo je najdôležitejšie, koľko boli teplejšie alebo chladnejšie. Výsledkom týchto meraní je to, že vesmír vo veku 300 tisíc rokov bol oveľa homogénnejší ako dnes: zmeny teploty a hustoty boli potom nižšie ako 10-4 (0,01%) priemeru. Avšak tieto variácie existovali: z rôznych smerov elektromagnetické žiarenie pochádza z mierne odlišných teplôt. Toto je znázornené na obr. 3, ktorý znázorňuje rozloženie teploty pozdĺžnebeskú sféru (fotografia raného vesmíru) mínus priemerná teplota 2,725 stupňov Kelvina; chladnejšie oblasti sú zobrazené v modrej, teplejšej oblasti v červenej farbe4.

Fotografia zobrazená na Obr. 3, viedlo k niekoľkým dôležitým a neočakávaným záverom. Po prvé, dovolil zistiť, že náš trojrozmerný priestor s dobrým stupňom presnosti je Euclidean: súčet uhlov trojuholníka v ňom je 180 stupňov dokonca aj pre trojuholníky so stranami, ktorých dĺžky sú porovnateľné s veľkosťou viditeľnej časti vesmíru, to znamená porovnateľné s 14 miliardami svetla rokov. Všeobecne povedané, všeobecná teória relativity predpokladá, že priestor nemusí byť Euclidean, ale zakrivený; Pozorovacie údaje ukazujú, že tomu tak nie je (aspoň pre náš región vesmíru). Metóda merania súčtu uhlov trojuholníka na kozmologických vzdialenostiach je nasledovná. Je možné spoľahlivo vypočítať charakteristickú priestorovú veľkosť oblastí, kde sa teplota líši od priemeru: v čase prechodu plazmového plynu je táto veľkosť určená vekom vesmíru, to znamená pomerne 300 000 svetelných rokov. Pozorovaná uhlová veľkosť týchto oblastí závisí od geometrie trojrozmerného priestoru, čo umožňuje zistiť, že táto geometria je euklidovská.

V prípade euklidovskej geometrie trojrozmerného priestoru všeobecná teória relativity jednoznačne spája rýchlosť rozširovania vesmíru s celkovým hustota všetkých foriem energieako aj v Newtonovskej teórii o rýchlosti otáčania Zeme okolo Slnka určuje hmotnosť Slnka. Nameraná rýchlosť rozšírenia zodpovedá celkovej energetickej hustote v modernom vesmíre.

Pokiaľ ide o hustotu hmotnosti (pretože energia sa vzťahuje na hmotnosť E = mc2) toto číslo je

Ak by energia vo vesmíre bola úplne určená zvyšnou energiou obyčajnej hmoty, v priemere by to bolo v priemere 5 protónov v kubickom metre vo vesmíre. Uvidíme však, že bežná hmota vo vesmíre je omnoho menšia.

Po druhé, z fotografie Obr. 3 môžete nastaviť, čo bolo hodnota (Amplitúda) nehomogenity teplota a hustota v ranom vesmíre – to bolo 10-4-10-5 z priemerov. Práve z týchto hustotných nehomogenít vznikli galaxie a zhluky galaxií: oblasti s vyššou hustotou priťahovali okolitú hmotu k sebe kvôli gravitačným silám, sa stali ešte hustšími a nakoniec sa vytvorili galaxie.

Keďže sú známe počiatočné hustotné nehomogenity, môže sa vypočítať proces tvorby galaxií a výsledok sa dá porovnať s pozorovanou distribúciou galaxií vo vesmíre. Tento výpočet je v súlade s pozorovaním len vtedy, ak sa predpokladá, že okrem bežnej hmoty existuje aj iný typ hmoty vo vesmíre: tmavá hmota, ktorých príspevok k celkovej energetickej hustote je dnes okolo 25%.

Obr. 4

Ďalšia etapa vo vývoji vesmíru zodpovedá ešte skorším časom od 1 do 200 sekúnd (!). Od okamihu Veľkého tresku, keď teplota vesmíru dosiahla miliardy stupňov. V tomto čase sa vo vesmíre vyskytli termonukleárne reakcie, podobné reakciám vyskytujúcim sa v strede Slnka alebo v termonukleárnej bombe. Výsledkom týchto reakcií je časť protónov spojených s neutronmi a vytvorené ľahké jadrá – héliové, deutériové a lítium-7 jadrá. Počet vytvorených svetelných jadier sa dá vypočítať, pričom jediným neznámym parametrom je počet protónov vo vesmíre (ten sa samozrejme znižuje kvôli rozšíreniu vesmíru, ale jeho hodnoty v rôznych časoch sú jednoducho navzájom spojené).

Porovnanie tohto výpočtu s pozorovaným počtom svetelných prvkov vo vesmíre je uvedené v Obr. 4: riadky predstavujú výsledky teoretického výpočtu v závislosti od jedného parametra – hustota bežnej látky (baryóny) a obdĺžniky – pozorovacie údaje. Je pozoruhodné, že existuje súhlas pre všetky tri svetlé jadrá (hélium-4, deutérium a lítium-7); Existuje zhoda s údajmi o žiarení pozadia (znázornená vertikálnou tyčou na obrázku 4, označenou MW – Cosmic Microwave Background). Táto dohoda naznačuje, že všeobecná teória relativity a dobre známe zákony jadrovej fyziky správne opisujú vesmír vo veku 1 až 200 sekúnd, keď záležitosť v ňom mala teplotu miliárd stupňov a viac. Pre nás je dôležité, aby všetky tieto údaje viedli k záveru, že masová hustota obyčajnej hmoty v modernom vesmíre je

to znamená, že bežná hmota dáva iba 5% celkovej energetickej hustoty vo vesmíre.


4 Pozorovania zo satelitu WMAP.


Like this post? Please share to your friends:
Temná hmota a tmavá energia vo vesmíre ">
Pridaj komentár

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