На сайте Астрометрия Астрономические инструменты Астрономическое образование Астрофизика История астрономии Космонавтика, исследование космоса Любительская астрономия Планеты и Солнечная система Солнце

Отголоски шума ранней Вселенной в пространственном распределении галактик
26.05.2001 17:31 | К. А. Постнов/ГАИШ, Москва

Без преувеличения можно сказать, что в последние годы изучение реликтового микроволнового фона и его угловых флюктуаций принесло наибольшее количество блестящих результатов в космологии. Прошел всего лишь год после публикации результатов превосходных балонных экспериментов MAXIMA и BOOMERANG (Melchiori et al ApJ 536, L63 (2000), измеривших спектр флюктуаций реликтового излучения в масштабах менее градуса. Недавно появились новые данные экспериментов QMASK (Xu et al. 2001, astro-ph/0104419) и DASI (Halverson et al., 2001, astro-ph/0104489). Эти эксперименты однозначно показали, что пространственные сечения нашей Вселенной имеют топологию почти плоского Евклидова пространства (ограничения на радиус кривизны порядка размера современного горизонта), а основная доля энергии во Вселенной сосредоточена в Темной Энергии (космологической постоянной или квинтэссенции), эффективно создающей антигравитацию и определяющей ускоренное расширение Вселенной в современную эпоху. Ускоренное расширение Вселенной независимо установлено по измерению блеска далеких сверхновых типа Ia, которые можно считать источниками постоянной мощности (стандартные свечи) (см. недавнюю заметку С.И.Блинникова на этом сайте).

В конце мая появилась очень интересная работа Криса Миллера, Роберта Нихола (Университет Карнеги Меллон, Питтсбург, США) и Дэвида Батуски (Университет Мэйн, Ороно, США) (будет опубликована в журнале Сайенс, см, astro-ph/0105423), в которой изучаются осцилляции в крупномасштабном распределении галактик. Мотивация работы проста. Согласно модели горячей Вселенной, мы наблюдаем флюктуации температуры реликтового фона, которые есть просто "отпечаток" акустических колебаний первичной плазмы в эпоху рекомбинации, которой соответствует красное смещение (примерно 100000 лет после начала расширения). Колебания плазмы в свою очередь вызваны первичными квантово-механическими флюктуациями, которые неизбежно должны присутствовать на очень ранней (квантово-гравитационной) стадии эволюции Вселенной. До эпохи рекомбинации вещество находилось в состоянии, представляющем собой смесь фотонов, электронейтральной водродно-гелиевой плазмы и темного вещества. Под действием гравитационной неустойчивости области повышенной плотности стремились сжиматься, но давление фотонов было столь велико, что в плазме возникали акустические колебания (как в обычной сплошной среде). Именно эти акустические осцилляции (их еще называют Сахаровскими осцилляциями, в честь А.Д. Сахарова, впервые теоретически предсказавшего их существование в 1965 г.) и наблюдаются в угловом спектре реликтовых флюктуаций, измеренном в указанных выше экспериментах.

Рост возмущений, приведший к образованию наблюдаемых структур во Вселенной (галактик и скоплений галактик), начался только после эпохи рекомбинации в "холодном" нейтральном веществе, прозрачном для излучения, в котором давление фотонов перестало играть существенную роль. Поскольку вещество и излучение до эпохи рекомбинации было тесно "сцеплено" между собой из-за Томсоновского рассеяния фотонов на свободных электронах плазмы, "портрет" осцилляций должен был бы быть запечатлен в колебаниях плотности вещества, которые впоследствии и создали наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной. Заметим, что нужно брать достаточно большие масштабы - более 50 Мпк, так как в меньших масштабах осцилляции плотности просто "замыты" локальными движениями галактик и скоплений.

Миллер, Нихол и Батуски проанализировали пространственный спектр флюктуаций распределения галактик и скоплений галактик по данным нескольких каталогов, данные в которых позволяют достаточно полно описать структуру до размеров областей с размерами в гигапарсек. Было обнаружено, что спектр пространственных флюктуаций наблюдаемой плотности вещества в нашу эпоху (на красных смещениях порядка 0.1) ясно свидетельствует о колебаниях, и более того, из этих данных был восстановлен спектр этих колебаний (зависимость от масштаба). Результат приведен на рисунке (правая часть).

Далее авторы взяли стандартную космологическую модель и определили, при каких параметрах должна получаться такая картина крупномасштабных флюктуаций плотности. Эти параметры (полная плотность вещества в единицах критической плотности, , плотность барионного вещества в единицах критической плотности, и показатель наклона пространственного спектра первичных флюктуаций ) находятся в отличном согласии с независимыми определениями из других данных. Единственный важный параметр, который не определяется из флюктуаций плотности - вклад в полную плотность энергии вакуума (темной энергии, космологической постоянной или квинтэссенции), . Но его можно взять из независимых наблюдений современной динамики расширения Вселенной по сверхновым типа Ia, согласно которым ,

Таким образом, наблюдения крупномасштабной структуры на красных смещениях в сочетании с данными о динамике расширения Вселенной на позволяют восстановить, каким должен был бы быть "портрет" акустических колебаний плазмы в эпоху рекомбинации на ! Результат - см. левую часть Рисунка, на котором приведен измеренный спектр угловых флюктуаций реликтового излучения - просто поразителен: сплошная кривая не является наилучшим описанием наблюдательных данных, она получена теоретически из стандартной космологической модели горячей Вселенной с приведенными выше параметрами.

Обращает на себя внимание факт наличия второго и третьего пика в спектре угловых осцилляций, однозначно подтверждающих современные представления об изначальной фазовой скоррелированности флюктуаций. Это могло быть только если в очень ранней Вселенной существовала эпоха очень быстрого (квази-экспоненциального) расширения (модель инфляционной Вселенной).

Рисунок 1. Справа: пространственный спектр флюктуаций плотности, построенный по данным о галактиках и их скоплениях. Сплошная линия - наилучшая аппроксимация в космологической модели с параметрами, указанными в тексте. Слева: угловой спектр флюктуация реликтового излучения по данным эксперимента MAXIMA и BOOMERANG. Сплошная кривая - ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ предсказание флюктуаций температуры реликтового излучения в эпоху рекомбинации в модели с параметрами, полученными из анализа пространственного распределения вещества. Рисунок из работы Miller, Nichol, Batuski, astro-ph/0105423.

Публикации с ключевыми словами: крупномасштабная структура Вселенной - Космология - Реликтовое излучение Публикации со словами: крупномасштабная структура Вселенной - Космология - Реликтовое излучение
См. также: Диполь реликтового излучения: полет сквозь Вселенную Разложение далекого света Карта реликтового излучения от "Планка" Формирование галактик в магнитной Вселенной Газ в скоплении галактик создает дыру в реликтовом излучении "Эффекты" Зельдовича, запечатлённые на нашем небе Сверхновая 1994D и неожиданная Вселенная Все публикации на ту же тему >>