Эволюция Вселенной Новые данные в космологии Темная материя

Эволюция Вселенной Новые данные в космологии Темная материя и темная энергия Козырев Андрей Владимирович, д. ф. -м. н, профессор заведующий кафедрой физики плазмы ТГУ

План лекции • Иерархия объектов Вселенной, их возраст • Космические масштабы: массы и расстояния • Как измеряют массу, скорость движения и расстояния до объектов дальнего космоса • Открытие Хабблом глобального разбегания галактик • Теория гравитации и «критическая плотность» материи • Возраст Вселенной и ее будущее в рамках «эталонной модели» • Темная материя и проблема «критической плотности» • Ускоренное расширение Вселенной – сюрприз от наблюдателей • Состав Вселенной и ее будущее

Иерархия объектов во Вселенной • Звезды и их планетные системы возраст Солнечной системы ~5 млрд лет время жизни звезд – 107 – 1010 лет • Звездные скопления и агломерации (103 – 105 звезд) возраст шаровых скоплений – около 10 млрд лет • Звездные системы – галактики (108 – 1011 звезд) возраст галактик – больше 10 млрд лет • Скопления галактик – связанные происхождением и общей гравитацией группы галактик (10 – 103 галактик) • Ячеистая структура распределения галактик в пространстве Возраст Вселенной сейчас оценивается в 14 -16 млрд лет

Космические масштабы Масса Солнца = 2· 1030 кг, 1 световой год 1013 км Массы звезд – (0, 1 – 10) массы Солнца Средние расстояния между звездами в Галактике – (1 – 10) св. лет Размеры галактик (107 – 1011 звезд) = (104 – 5· 105) св. лет Расстояния между скоплениями галактик десятки млн св. лет Размер наблюдаемой области Вселенной ~ 12 млрд св. лет

Как измеряют расстояния до далеких объектов Расстояния до ближайших звезд определяются методом паралакса: видимое смещение близких звезд за счет орбитального движения Земли – доли угловой секунды До более далеких звезд расстояния определяются фотометрическим методом: из светимости звезды и ее видимой яркости можно оценить расстояние до нее. Светимость можно оценить по спектральному классу звезды Если звезда относится к классу переменных звезд (цефеиды), то период изменения ее яркости монотонно зависит от светимости звезды: чем больше период, тем выше светимость звезды

Как измеряют скорость объектов Основной метод – смещение частоты излучения движущегося объекта за счет эффекта Доплера

Как измеряют массу объектов Основа метода – аналог третьего закона Кеплера для двух тел а M 1 M 2 M

Разбегание галактик во Вселенной u = H·r H = (22 ± 0, 2) км·с-1·млн св. лет-1 (12 млрд лет)– 1

Теория гравитации и Вселенная • Теория гравитации позволяет рассчитать скорость расширения Вселенной в прошлом и будущем, если известны ее нынешние параметры и закон движения • Закон движения – это второй закон Ньютона и сила гравитационного притяжения материи • Основные начальные параметры Вселенной: нынешняя скорость расширения H 0 и средняя плотность материи 0 • Основные выводы «эталонной модели» расширения Вселенной: а) постоянная Хаббла должна уменьшаться со временем; б) возраст Вселенной меньше 12 млрд лет; и) в зависимости от средней плотности материи возможны три принципиально разных сценарии развития Вселенной:

Критическая плотность Нынешняя скорость расширения Вселенной H 0 задает «инерцию» движущейся материи, а средняя плотность материи 0 определяет способность гравитации затормаживать этот разлет. Критическая плотность Вселенной r (1 ± 0, 1)· 10– 29 г/см 3 Для ориентировки: с – это масса 6 атомов водорода в 1 кубическом метре пространства

Различные сценарии расширения в r «эталонной модели» < c = c > c Момент Большого Взрыва Во всех сценариях возраст Вселенной меньше 12 млрд лет время 0

Расчет критической плотности – масса материи внутри сферы радиуса r и средней плотности – закон Ньютона Сохранение полной энергии движения Уравнение движения Критическая плотность Вселенной (1 ± 0, 1)· 10– 29 г/см 3

Темная материя в галактиках Какова реальная плотность материи во Вселенной? Эффект невидимой массы

Темная материя в межгалактическом пространстве Скорости галактик в Местной группе вокруг центра масс заметно больше тех, что имели бы место в случае пустого пространства Скопление галактик NGC 2300 Свечение в рентгеновском диапазоне Вывод из наблюдений: масса темной материи примерно на порядок больше, чем масса видимого вещества

Скорость расширения Вселенной растет ! r Наблюдения за яркостью сверхновых звезд в очень далеких галактиках показало, что расширение Вселенной уже давно происходит с ускорением !!! Переход к ускоренному развитию произошел через 7 -8 млрд лет после рождения Вселенной Новый возраст Вселенной 12 млрд лет время 0

Антигравитация вакуума На орбите Нептуна «антигравитация» составляет всего 10– 18 от силы гравитационного притяжения Солнца r + V Сила всемирного тяготения Наличие космологического члена в уравнениях Эйнштейна эквивалентно свойству «антигравитации» , присущему пустому пространству как таковому Если поместить в вакуум две первоначально покоящиеся пробные частицы, то со временем они начнут удаляться друг от друга: для двух нейтронов антигравитация превысит гравитацию уже при r > 30 см Закон сохранения энергии, записанный для выделенной области расширяющейся Вселенной, дает выражение для силы «всемирного расталкивания» Сила всемирного отталкивания

Свойства вакуума • Вакуум, характеризуемый космологической постоянной , является неизменной и вечной средой, не зависящей от возраста Вселенной • Плотность «темной энергии вакуума» одинакова везде: как внутри, так и вне физических тел • Энергия вакуума V представляет собой абсолютный и постоянный минимум энергии, содержащийся в мировом пространстве • Эта среда не может служить системой отсчета: она сопутствует любой движущейся системе отсчета с одинаковой плотностью энергии и давлением • Вакуум не подвержен никакому действию (ни тяготения материи, ни собственного поля тяготения): «пассивная» масса вакуума равна нулю • Вакуум сам по себе обладает отрицательным давлением, что согласно ОТО приводит к эффекту «всемирного отталкивания» масс. Причем сила отталкивания растет с ростом расстояния между объектами.

«Состав» Вселенной Из наблюдений однородности фонового излучения следует почти точное равенство плотности энергии «критической плотности» Темная энергия вакуума 75% 100% Темная материя 23% Видимая материя 2% Анти-гравитация вакуума сказывается уже за пределами Местной группы галактик

Заключение Крабовидная туманность – остаток взрыва сверхновой Уже в 1054 г. звезды сейчас темная энергия (антигравитация) является основной движущей силой Вселенной Далекое будущее состояние нашей Вселенной – это почти пустое продолжающее расширяться пространство с потухшими звездами, холодным газом, пылью и остатками небесных тел … Если физики еще чего-нибудь не откроют Спасибо за внимание !