![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeЯ уже упоминал (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7222.html), что нынешняя крупномасштабная структура Вселенной имеет вид некоего ячеистого образования: огромные пустые объемы пространства, именуемые войдами и имеющие размеры около пяти тысяч километров в секунду (иногда - до десяти) окружены стенами, формируемыми скоплениями галактик и филаментами, причем размеры крупнейших образований такого рода могут достигать тридцати тысяч километров в секунду, а возможно, и, неизвестно отчего, больше (об этом - позже).
(О применении километров в секунду для измерения крупнейших размеров - см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7165.html).
Упоминал я также, что, как ни удивительно, такая структура сформировалась, судя по всему, в результате воздействия акустических колебаний (волн плотности, а проще говоря - звуковых волн), распространявшихся на заре образования Вселенной в ее плотном и горячем веществе. Сами волны возникали вследствие элементарной неустойчивости расширявшейся плазмы (при появлении нового пространства внутри ее) при случайных флуктуациях ее плотности.
Кое что об этом процессе:
Практически постоянно, когда речь идет о Большом взрыве, говорится и пишется, что в момент своего возникновения Вселенная была очень плотной и горячей - и только потом, расширяясь, она охладилась до нынешнего состояния (вполне естественным путем - именно вследствие расширения).
На самом деле картина является более сложной и в чем-то парадоксальной - судя по всему, спустя 10^-31 секунды после своего рождения Вселенная была пустой и холодной. И это неожиданное утверждение имеет под собой весьма веское обоснование.
Рождалась Вселенная, безусловно, плотной и горячей - ее плотность составляла примерно 5,1·10^96 килограммов на кубометр, а температура - примерно 1,4·10^32 градусов (почему столько? Потому что больше быть не могло - при больших значениях полностью теряют смысл понятия времени, пространства, расстояния и даже положения объектов друг относительно друга - словом, любые физические понятия).
Однако, как мы помним, после этого, спустя примерно 10^-43 секунды после рождения Вселенная вступила в фазу инфляционного расширения (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html). В течение ста дециллионных долей секунды (10^-31 c) она расширялась с чудовищной скоростью - минимум, на 60 порядков быстрее, чем сейчас. В результате температура и плотность Вселенной резко упали.
И только когда закончилась инфляция, пустая и холодная Вселенная вновь нагрелась и заполнилась веществом. Можно сказать, что источником ее нагревания и всего вещества в ней явилась энергия ее расширения (в какой-то степени) - дело в том, что кванты того самого поля, которое вызвало бурное расширение Вселенной, к концу периода инфляции начали распадаться с образованием ныне существующих (а может, и уже не существующих) частиц, заполнив Вселенную привычным нам веществом и излучением.
Именно в этот момент первичные неоднородности в распределении материи (обязанные своим происхождением деталям строения поля, вызывавшего расширение), привели к тому, что в сверхгорячей и сверхплотной плазме начали формироваться звуковые волны.
Эти древнейшие колебания и запечатлелись в виде современных колоссальных неоднородностей распределения материи - крупномасштабной структуры Вселенной.
Эти неоднородности - волны плотности материи - отражаются в структуре реликтового фона в виде ничтожных колебаний его энергии (более горячие области фона излучались сгущениями материи, более холодные - разрежениями). Характерная длина звуковой волны в плазме, из которой состояла Вселенная, для момента рекомбинации (отделения вещества от излучения, конца барионной эры https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html, 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной), когда, собственно, родилось реликтовое излучение https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/8271.html, может быть рассчитана.
А дальше начинается интересное. Получается, что мы, наблюдая реликтовое излучение (поверхность последнего рассеяния, на которой оно родилось), видим в нем звуковые волны известной длины, проявляющиеся в виде неоднородностей этого самого излучения. Соответственно, можно посчитать, какой угловой размер должны иметь эти волны, видимая в реликтовом излучении, нынче, с учетом состоявшегося за это время расширения Вселенной. Результат достаточно прост - они должны иметь размер около одного углового градуса. И в этом отношении теория замечательно соответствует наблюдениям.
Но есть здесь один нюанс.
Этот угловой размер будет наблюдаться, только если свет все это время распространялся по прямой. Если же Вселенная имеет ненулевую кривизну, то свет в ней распространяется не по прямой, а по дуге окружности (если кривизна положительна) или гиперболы (если кривизна отрицательна). Соответственно, кажущийся угловой размер акустической волны, видимой в реликтовом излучении окажется большим (для положительной кривизны) или меньшим (для отрицательной кривизны), чем положено. Ну, а дальше мы вспоминаем, что если плотность Вселенной больше критической плотности 0,119H^2/G, где H - постоянная Хаббла, а G - гравитационная постоянная, то Вселенная благодаря гравитации материи имеет положительную кривизну (и сумма углов треугольников большого размера в ней в среднем больше 180 градусов), если меньше - то, соответственно, кривизна отрицательна, и сумма меньше 180.
Получается интересный вывод - точно рассчитав длину звуковой волны для момента рекомбинации, точно измерив средний угловой размер неоднородностей реликтового излучения и сравнив результаты, мы можем узнать и среднюю плотность материи во Вселенной (полную: барионной материи, темной материи и темной энергии, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7483.html, и сумму углов крупномасштабных треугольников Вселенной, то есть, кривизну пространства, в котором мы живем.
Результат оказывается красивым: полученная таким образом сумма углов крупномасштабных треугольников в среднем во Вселенной равна 180,18±2 градуса. Мы действительно живем в плоской Вселенной.
А теперь - некоторые интересные факты, сопутствующие распространению акустических колебаний, которые потом превратились в сверхскопления и гиперскопления, на заре времен.
Во-первых, интересно то, что в первые секунды, минуты и даже годы жизни нашего мира длина звуковой волны в сверхгорячей и сверхплотной плазме оказывалась больше величины горизонта (то есть, произведения скорости света на время, прошедшее с момента образования Вселенной - максимального расстояния, на которые успевало к этому моменту распространиться любое взаимодействие). А это означало, что в любой области пространства плотность можно было бы считать постоянной - она просто не успевала измениться за время существования мира (см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/99435.html). Только позже, спустя тысячелетия, по мере расширения пространства, размер горизонта оказался большим, чем длина звуковой волны - и только начиная с этого времени, можно считать, что звуковые волны начали распространяться в пространстве (как говорят, "волны плотности начали входить под горизонт событий"). До этого момента они существовали именно как результат небольших первичных неоднородностей плотности, унаследованных от инфляционной эры.
Во-вторых, начиная с этого момента, распространение звуковых волн стало сопровождаться неожиданным эффектом. Мы знаем, что Вселенная нынче (да и в те времена тоже) состоит из темной материи и видимой (барионной) материи (причем темной материи в несколько раз больше, чем видимой). До поры до времени они (темная и видимая материя) спокойно существовали в расширяющемся мире и, что весьма вероятно, имели более или менее одинаковую плотность энергии (температуру). Однако как только плотность материи в любом видимом объеме пространства стала изменяться (звуковые волны начали входить под горизонт) - ситуация изменилась. Видимая (барионная) материя взаимодействует с электромагнитным излучением (потому, собственно, она и видимая), а темная материя с ним не взаимодействует (и поэтому она темная). В результате плотность темной материи в волне сжатия вполне могла расти: под действием собственной гравитации более плотная материя сжималась еще сильнее - и в результате амплитуда колебаний плотности темной материи со временем, по мере распространения звуковых волн, повышалась, то есть, темная материя в местах своего уплотнения сжималась все сильнее, постепенно формируя типичную картину звуковых волн, которые усиливались, создавая в пространственном распределении темной материи "впадины" (разрежения) и окружающие их "уплотнения" (будущие пустоты - войды - и филаменты - "великие стены", гиперскопления).
А вот видимая материя вела себя иначе. Стоило ей начинать уплотняться - она нагревалась, излучала еще больше фотонов, и давление фотонов, которые в те времена активно взаимодействовали с горячей плазмой, начинало препятствовать сжатию.
Соответственно, видимая и темная материя "разделились" - плотность видимой материи изменялась незначительно, так что она оставалась распределенной почти равномерно, а плотность темной - значительно, так что она начала формировать сгущения и разрежения. Заодно и температура темной материи начала падать быстрее, чем видимой.
Предполагается, что этот процесс начался спустя 75 тысяч лет после формирования Вселенной и длился примерно триста тысяч лет. К концу этого срока темная материя уже сформировала вполне заметную структуру пустот, окруженных стенками (представлявшими собой сами звуковые волны), а плотность видимой материи колебалась очень слабо из-за взаимодействия с фотонами.
И вот тут произошло еще одно ключевое событие. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура видимой материи упала настолько, что она перестала взаимодействовать с фотонами (стала прозрачной). Этот момент называется временем рекомбинации и хорошо известен по своему наблюдаемому следствию - в этот момент и появилось реликтовое фоновое излучение, то есть, фотоны с температурой почти три тысячи градусов пустились в бесконечное странствование по миру (сейчас вследствие расширения Вселенной их температура упала до 2,725 градуса Кельвина, а количество их осталось весьма внушительным - почти пятьсот штук на каждый кубический сантиметр Вселенной).
Именно с этого момента уже ничто не препятствовало сжатию видимого вещества - оно стало прозрачным, и теперь давление света на него практически не воздействовало - и это сжатие начало происходить под влиянием притяжения темной материи, начавшей сжиматься в ячеистую структуру намного раньше.
И когда мы удивляемся, как же успели так быстро сформироваться первые галактики (а самая древняя галактика наблюдается в момент, соответствующий четыремстам миллионам лет после Большого взрыва), стоит помнить, что к этому времени уже сотни миллионов лет темная материя формировала каркас нынешней структуры, способствуя своим притяжением формированию видимых объектов (по крайней мере, сгущению видимого вещества в будущие сверхскопления галактик, а возможно, и в более мелкие структуры). Амплитуда колебаний плотности видимой материи, наблюдаемая по неоднородности реликтового излучения, была куда меньшей.
(Иногда появляются мысли - не могли ли первые черные дыры, ныне являющиеся центральными телами галактик, формироваться именно в те времена из темной материи. Это бы объяснило раннее (в первый миллиард лет) формирование мощных активных квазаров (а мы помним, квазары с массами черных дыр в миллиарды солнечных и мощностью излучения, в триллионы раз превосходящие солнечную, существовали уже тогда). Только вот в чем беда - из чего состоит темная материя и может ли она коллапсировать в черные дыры, мы не знаем).
(О применении километров в секунду для измерения крупнейших размеров - см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7165.html).
Упоминал я также, что, как ни удивительно, такая структура сформировалась, судя по всему, в результате воздействия акустических колебаний (волн плотности, а проще говоря - звуковых волн), распространявшихся на заре образования Вселенной в ее плотном и горячем веществе. Сами волны возникали вследствие элементарной неустойчивости расширявшейся плазмы (при появлении нового пространства внутри ее) при случайных флуктуациях ее плотности.
Кое что об этом процессе:
Практически постоянно, когда речь идет о Большом взрыве, говорится и пишется, что в момент своего возникновения Вселенная была очень плотной и горячей - и только потом, расширяясь, она охладилась до нынешнего состояния (вполне естественным путем - именно вследствие расширения).
На самом деле картина является более сложной и в чем-то парадоксальной - судя по всему, спустя 10^-31 секунды после своего рождения Вселенная была пустой и холодной. И это неожиданное утверждение имеет под собой весьма веское обоснование.
Рождалась Вселенная, безусловно, плотной и горячей - ее плотность составляла примерно 5,1·10^96 килограммов на кубометр, а температура - примерно 1,4·10^32 градусов (почему столько? Потому что больше быть не могло - при больших значениях полностью теряют смысл понятия времени, пространства, расстояния и даже положения объектов друг относительно друга - словом, любые физические понятия).
Однако, как мы помним, после этого, спустя примерно 10^-43 секунды после рождения Вселенная вступила в фазу инфляционного расширения (https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html). В течение ста дециллионных долей секунды (10^-31 c) она расширялась с чудовищной скоростью - минимум, на 60 порядков быстрее, чем сейчас. В результате температура и плотность Вселенной резко упали.
И только когда закончилась инфляция, пустая и холодная Вселенная вновь нагрелась и заполнилась веществом. Можно сказать, что источником ее нагревания и всего вещества в ней явилась энергия ее расширения (в какой-то степени) - дело в том, что кванты того самого поля, которое вызвало бурное расширение Вселенной, к концу периода инфляции начали распадаться с образованием ныне существующих (а может, и уже не существующих) частиц, заполнив Вселенную привычным нам веществом и излучением.
Именно в этот момент первичные неоднородности в распределении материи (обязанные своим происхождением деталям строения поля, вызывавшего расширение), привели к тому, что в сверхгорячей и сверхплотной плазме начали формироваться звуковые волны.
Эти древнейшие колебания и запечатлелись в виде современных колоссальных неоднородностей распределения материи - крупномасштабной структуры Вселенной.
Эти неоднородности - волны плотности материи - отражаются в структуре реликтового фона в виде ничтожных колебаний его энергии (более горячие области фона излучались сгущениями материи, более холодные - разрежениями). Характерная длина звуковой волны в плазме, из которой состояла Вселенная, для момента рекомбинации (отделения вещества от излучения, конца барионной эры https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/18359.html, 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной), когда, собственно, родилось реликтовое излучение https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/8271.html, может быть рассчитана.
А дальше начинается интересное. Получается, что мы, наблюдая реликтовое излучение (поверхность последнего рассеяния, на которой оно родилось), видим в нем звуковые волны известной длины, проявляющиеся в виде неоднородностей этого самого излучения. Соответственно, можно посчитать, какой угловой размер должны иметь эти волны, видимая в реликтовом излучении, нынче, с учетом состоявшегося за это время расширения Вселенной. Результат достаточно прост - они должны иметь размер около одного углового градуса. И в этом отношении теория замечательно соответствует наблюдениям.
Но есть здесь один нюанс.
Этот угловой размер будет наблюдаться, только если свет все это время распространялся по прямой. Если же Вселенная имеет ненулевую кривизну, то свет в ней распространяется не по прямой, а по дуге окружности (если кривизна положительна) или гиперболы (если кривизна отрицательна). Соответственно, кажущийся угловой размер акустической волны, видимой в реликтовом излучении окажется большим (для положительной кривизны) или меньшим (для отрицательной кривизны), чем положено. Ну, а дальше мы вспоминаем, что если плотность Вселенной больше критической плотности 0,119H^2/G, где H - постоянная Хаббла, а G - гравитационная постоянная, то Вселенная благодаря гравитации материи имеет положительную кривизну (и сумма углов треугольников большого размера в ней в среднем больше 180 градусов), если меньше - то, соответственно, кривизна отрицательна, и сумма меньше 180.
Получается интересный вывод - точно рассчитав длину звуковой волны для момента рекомбинации, точно измерив средний угловой размер неоднородностей реликтового излучения и сравнив результаты, мы можем узнать и среднюю плотность материи во Вселенной (полную: барионной материи, темной материи и темной энергии, https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/7483.html, и сумму углов крупномасштабных треугольников Вселенной, то есть, кривизну пространства, в котором мы живем.
Результат оказывается красивым: полученная таким образом сумма углов крупномасштабных треугольников в среднем во Вселенной равна 180,18±2 градуса. Мы действительно живем в плоской Вселенной.
А теперь - некоторые интересные факты, сопутствующие распространению акустических колебаний, которые потом превратились в сверхскопления и гиперскопления, на заре времен.
Во-первых, интересно то, что в первые секунды, минуты и даже годы жизни нашего мира длина звуковой волны в сверхгорячей и сверхплотной плазме оказывалась больше величины горизонта (то есть, произведения скорости света на время, прошедшее с момента образования Вселенной - максимального расстояния, на которые успевало к этому моменту распространиться любое взаимодействие). А это означало, что в любой области пространства плотность можно было бы считать постоянной - она просто не успевала измениться за время существования мира (см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/99435.html). Только позже, спустя тысячелетия, по мере расширения пространства, размер горизонта оказался большим, чем длина звуковой волны - и только начиная с этого времени, можно считать, что звуковые волны начали распространяться в пространстве (как говорят, "волны плотности начали входить под горизонт событий"). До этого момента они существовали именно как результат небольших первичных неоднородностей плотности, унаследованных от инфляционной эры.
Во-вторых, начиная с этого момента, распространение звуковых волн стало сопровождаться неожиданным эффектом. Мы знаем, что Вселенная нынче (да и в те времена тоже) состоит из темной материи и видимой (барионной) материи (причем темной материи в несколько раз больше, чем видимой). До поры до времени они (темная и видимая материя) спокойно существовали в расширяющемся мире и, что весьма вероятно, имели более или менее одинаковую плотность энергии (температуру). Однако как только плотность материи в любом видимом объеме пространства стала изменяться (звуковые волны начали входить под горизонт) - ситуация изменилась. Видимая (барионная) материя взаимодействует с электромагнитным излучением (потому, собственно, она и видимая), а темная материя с ним не взаимодействует (и поэтому она темная). В результате плотность темной материи в волне сжатия вполне могла расти: под действием собственной гравитации более плотная материя сжималась еще сильнее - и в результате амплитуда колебаний плотности темной материи со временем, по мере распространения звуковых волн, повышалась, то есть, темная материя в местах своего уплотнения сжималась все сильнее, постепенно формируя типичную картину звуковых волн, которые усиливались, создавая в пространственном распределении темной материи "впадины" (разрежения) и окружающие их "уплотнения" (будущие пустоты - войды - и филаменты - "великие стены", гиперскопления).
А вот видимая материя вела себя иначе. Стоило ей начинать уплотняться - она нагревалась, излучала еще больше фотонов, и давление фотонов, которые в те времена активно взаимодействовали с горячей плазмой, начинало препятствовать сжатию.
Соответственно, видимая и темная материя "разделились" - плотность видимой материи изменялась незначительно, так что она оставалась распределенной почти равномерно, а плотность темной - значительно, так что она начала формировать сгущения и разрежения. Заодно и температура темной материи начала падать быстрее, чем видимой.
Предполагается, что этот процесс начался спустя 75 тысяч лет после формирования Вселенной и длился примерно триста тысяч лет. К концу этого срока темная материя уже сформировала вполне заметную структуру пустот, окруженных стенками (представлявшими собой сами звуковые волны), а плотность видимой материи колебалась очень слабо из-за взаимодействия с фотонами.
И вот тут произошло еще одно ключевое событие. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура видимой материи упала настолько, что она перестала взаимодействовать с фотонами (стала прозрачной). Этот момент называется временем рекомбинации и хорошо известен по своему наблюдаемому следствию - в этот момент и появилось реликтовое фоновое излучение, то есть, фотоны с температурой почти три тысячи градусов пустились в бесконечное странствование по миру (сейчас вследствие расширения Вселенной их температура упала до 2,725 градуса Кельвина, а количество их осталось весьма внушительным - почти пятьсот штук на каждый кубический сантиметр Вселенной).
Именно с этого момента уже ничто не препятствовало сжатию видимого вещества - оно стало прозрачным, и теперь давление света на него практически не воздействовало - и это сжатие начало происходить под влиянием притяжения темной материи, начавшей сжиматься в ячеистую структуру намного раньше.
И когда мы удивляемся, как же успели так быстро сформироваться первые галактики (а самая древняя галактика наблюдается в момент, соответствующий четыремстам миллионам лет после Большого взрыва), стоит помнить, что к этому времени уже сотни миллионов лет темная материя формировала каркас нынешней структуры, способствуя своим притяжением формированию видимых объектов (по крайней мере, сгущению видимого вещества в будущие сверхскопления галактик, а возможно, и в более мелкие структуры). Амплитуда колебаний плотности видимой материи, наблюдаемая по неоднородности реликтового излучения, была куда меньшей.
(Иногда появляются мысли - не могли ли первые черные дыры, ныне являющиеся центральными телами галактик, формироваться именно в те времена из темной материи. Это бы объяснило раннее (в первый миллиард лет) формирование мощных активных квазаров (а мы помним, квазары с массами черных дыр в миллиарды солнечных и мощностью излучения, в триллионы раз превосходящие солнечную, существовали уже тогда). Только вот в чем беда - из чего состоит темная материя и может ли она коллапсировать в черные дыры, мы не знаем).
