Новости науки | ||
31.05.01. Отголоски шума ранней Вселенной в пространственном распределении галактик | ||
Без преувеличения можно сказать, что в последние годы изучение реликтового
микроволнового фона и его угловых флуктуаций принесло наибольшее количество
блестящих результатов в космологии. Прошел всего лишь год после публикации
результатов превосходных балонных экспериментов
MAXIMA и
BOOMERANG
(Melchiori и др. ApJ 536, L63, 2000), измеривших спектр флуктуаций реликтового
излучения в масштабах менее градуса.
Недавно появились новые данные экспериментов QMASK
(Xu и др. 2001,
astro-ph/0104419)
и DASI
(Halverson и др., 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
флуктуации температуры реликтового фона, которые есть просто "отпечаток"
акустических колебаний первичной плазмы в эпоху рекомбинации, которой
соответствует красное смещение z @ 1000
(примерно 500000 лет после
начала расширения). Колебания плазмы в свою очередь вызваны первичными
квантово-механическими флуктуациями, которые неизбежно должны присутствовать
на очень ранней (квантово-гравитационной) стадии эволюции Вселенной. До эпохи
рекомбинации вещество находилось в состоянии, представляющем собой смесь
фотонов, электронейтральной водородно-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 флуктуаций, 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 флуктуаций
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 флуктуаций 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 флуктуаций
плотности. Эти параметры (полная плотность вещества в единицах критической
плотности, Таким образом, наблюдения крупномасштабной структуры на красных
смещениях z ~ 0.1 в сочетании с данными
о динамике расширения Вселенной на z ~
0.1 позволяют восстановить, каким должен был бы быть
"портрет" акустических колебаний плазмы в эпоху рекомбинации на z
~ 1000! Результат - см. левую часть
Рисунка, на котором приведен измеренный спектр угловых
флуктуаций 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 флуктуаций. Это могло быть только если в очень
ранней Вселенной существовала эпоха очень быстрого
(квази-экспоненциального) расширения (модель инфляционной
Вселенной). Справа: пространственный спектр флуктуаций
плотности, построенный по данным о галактиках и их скоплениях. Сплошная
линия - наилучшая аппроксимация в космологической модели с параметрами,
указанными в тексте. | ||
|