2 месяца назад
Нету коментариев

В результате эволюции Вселенной от сверхплотного и горячего состояния к настоящему времени осталось обычное вещество, состоящее в основном из водорода и гелия, реликтового излучения с температурой 2,7°К и ре­ликтового нейтрино с температурой около 2°К. Эти три компоненты не взаимодействуют между собой и несут нам почти в чистом виде информацию о процессах, имев­ших место в моменты их «отрыва» друг от друга.

Нейтрино несет информацию о процессах, имевших место где-то около 10-2 с после начала расширения Все­ленной. Так как наблюдать эти нейтрино пока еще не удается, эта информация для нас закрыта. Мы можем только строить предположения об условиях, существо­вавших в тот момент.

Реликтовое излучение несет нам практически в чис­том виде информацию о процессах, имевших место в пе­риод отрыва вещества от излучения, т. е. о моментах времени где-то около 106 лет после начала расширения (). Как мы видели, благодаря наличию в современную эпо­ху реликтового излучения был сделан вывод не только о высокой плотности вещества, но и о его высокой тем­пературе в прошлом. Это позволило объяснить наблю­даемое содержание гелия во Вселенной. В принципе мы должны ожидать, что и вещество нам должно нести ин­формацию об этом же периоде. Но здесь мы сталкиваем­ся с проблемами, связанными с грандиозными процесса­ми, происходившими и происходящими с веществом в процессе расширения Вселенной.

В то время как реликтовое излучение в процессе рас­ширения меняло только свою температуру и не меняло форму спектра, оставаясь все время чернотельным из­лучением, вещество испытывало фундаментальные изменения как структуры, так и своей температуры. Мы уже говорили, что после развязки излучения от вещества, которая произошла около миллиона лет после начала расширения Вселенной, вещество рекомбинировало и стало охлаждаться быстрее излучения. В силу этого в настоящее время следовало бы ожидать, что температу­ра вещества ниже 2,7° К (см. рис. 9). При такой темпе­ратуре все вещество должно находиться в нейтральном состоянии. Конечно, в этот период шли процессы обра­зования галактик и других объектов, но если даже пред­положить при этом, что почти 99,999% вещества скон­денсировалось в галактики (эта оценка является самой оптимистической в современной теории образования га­лактик), то мы должны ожидать в межгалактическом пространстве хотя бы 0,001% вещества, находящегося в нейтральном состоянии. Так как основной компонентой вещества во Вселенной является водород, то следовало бы ожидать излучения этого холодного водорода в диа­пазоне длин волн 21 см. Точнее, должна наблюдаться «ступенька» излучения в этом диапазоне, о которой мы говорили ранее (см. рис. 4) при обсуждении фоново­го радиоизлучения. Поскольку это излучение не наблю­дается, вещество либо нагрето до температур выше 105°К (водород находится в ионизованном состоянии и такое радиоизлучение отсутствует), либо межгалактиче­ского газа нет. По современным представлениям послед­нее маловероятно. Поэтому мы должны подробнее оста­новиться на предположении о высокой температуре меж­галактического газа.

Перед тем как обсуждать проблемы, связанные с на­личием горячего межгалактического газа, имеет смысл подробнее остановиться на процессах взаимодействия реликтового излучения с веществом. Одним из основных процессов взаимодействия ионизованного вещества с реликтовым излучением является процесс комптоновско­го рассеяния. При комптоновском рассеянии (рис. 10, а) электрон сталкивается с фотоном, в результате чего об­разуется рассеянный фотон с измененной частотой и рас­сеянный электрон — электрон отдачи — с измененной энергией. Исторически сложилось так, что комптоновское рассеяние, при котором электрон забирает часть энергии от фотона (т. е. частота рассеянного кванта уменьшается, а энергия электрона увеличивается), назы­вают прямым, или обычным, Комптон-эффектом. Комптоновское рассеяние, при котором частота рассеянного фотона увеличивается, а энергия электрона убывает, обусловлено обратным Комптон-эффектом. В общем случае в плазме идут как прямой, так и обратный Комптон-эффекты.

Комптоновское рассеяние; тормозное излучение

Комптоновское рассеяние; тормозное излучение

Ясно, что если имеется термодинамическое равнове­сие между ионизованным веществом и излучением и это равновесие осуществляется за счет эффективного комптоновского рассеяния, то имеет место баланс между прямым и обратным Комптон-эффектами, который и под­держивает это равновесие. При этом температура излу­чения равна температуре вещества. Как только термо­динамическое равновесие нарушается-, то начинают пре­обладать либо прямой, либо обратный Комптон-эффек­ты. А это может вызвать систематическое уменьшение или увеличение частот в спектре излучения и привести к характерным искажениям спектра излучения. Напри­мер, мы видели, что в процессе расширения Вселенной при z=zрек ~ 1400 вещество рекомбинирует и перестает находиться в термодинамическом равновесии с реликто­вым излучением. Это связано с тем, что нейтральное ве­щество слабо взаимодействует с излучением. Любой на­грев вещества, его ионизация, должен приводить к эф­фективному комптоновскому взаимодействию с излуче­нием. Так как между реликтовым излучением и веще­ством нет термодинамического равновесия, то будут пре­обладать либо- прямой, либо обратный Комптон-эффек­ты, приводящие к специфическим искажениям спектра реликтового излучения. Наблюдения этих искажений должны нам дать информацию о процессах энерговыделения во Вселенной, начиная с момента zрек и до настоя­щего момента.

Искажение спектра реликтового излучения из-за комптоновского рассеяния не обязательно связано с энер­говыделением в моменты, когда вещество было нейт­ральным. Например, это искажение имеет место и тогда, когда энерговыделение происходит и в уже сильно иони­зованном газе, находившемся в термодинамическом рав­новесии с излучением до момента рекомбинации. Таким образом, наблюдения отклонений спектра реликтового излучения от чернотельного могут дать информацию так­же о процессах энерговыделения и до момента реком­бинации водорода вплоть до г=105(соответствует вре­мени 1010 с с момента начала расширения). Последнее означает, что любое энерговыделение на более ранних этапах расширения Вселенной успеет переработаться, формируя чернотельное излучение (т. е. к моменту ре­комбинации между веществом и излучением восстанав­ливается термодинамическое равновесие).

Другим важным процессом, который может привести к заметным искажениям спектра реликтового излуче­ния, является процесс тормозного излучения горячей плазмы (рис. 10, б). При этом процессе электрон, проле­тая мимо протона — ядра атома водорода, — меняет свою траекторию под действием кулоновского притяже­ния ядра. Изменение траектории связано с ускоренным движением электрона, а любое ускоренное движение за­ряженной частицы приводит к ее излучению. Причем чем выше температура плазмы, тем больше скорость электро­на, тем более высокие частоты излучаются. В частности, при определенных температурах плазмы ее излучение может приходиться на диапазон частот реликтового из­лучения. Таким образом, если в какой-то момент в прош­лом газ был значительно нагрет и не находился в термо­динамическом равновесии с излучением, то это должно было привести к увеличению числа квантов в определен­ном диапазоне длин волн реликтового излучения, и в этом диапазоне длин волн измеряемая температура ре­ликтового излучения должна была оказаться выше 2,7°К.

В связи с наличием горячего межгалактического га­за возникает естественный вопрос о возможности того, что этот газ был всегда нагрет до такой высокой темпе­ратуры, т. е. он никогда не рекомбинировал. При этом предположении и в силу адиабатического охлаждения газа при расширении Вселенной следует, что, начиная с момента времени, соответствующего времени рекомбина­ции водорода, существовал подогрев газа до температу­ры выше соответствующей для рекомбинации. Таким об­разом, мы приходим к ситуации, когда температура ве­щества превышает температуру излучения. В этом слу­чае, кроме адиабатического охлаждения газа из-за рас­ширения Вселенной, газ должен более эффективно ох­лаждаться, передавая свое тепло реликтовому излуче­нию. Основной механизм охлаждения газа — обратный Комптон-эффект электронов горячей плазмы на реликто­вом излучении. Мы видели, что при обратном Комптон-эффекте энергия электрона уменьшается, а частота фо­тона увеличивается. Конечно, идет и обратный про­цесс — обычный Комптон-эффект. Оказывается, когда температура плазмы выше температуры излучения, ос­новную роль играют потери энергии электроном при об­ратном Комптон-эффекте. Эти два механизма охлажде­ния вещества требуют мощных источников подогрева для поддержания высокой температуры межгалактиче­ской среды. Анализ физических условий во Вселенной после момента рекомбинации показывает, что, в рамках горячей модели, самый эффективный подогрев газа мо­жет быть обеспечен при ядерных реакциях синтеза ге­лия из водорода. Мы видели ранее, что основная масса гелия образовалась в конце лептонной и начале радиа­ционной эры, где-то около zHе ~ 3 • 107 (около tHе ~ 103— 104 с после начала расширения Вселенной).

Неопределенность теории и особенно наблюдатель­ных данных по содержанию гелия во Вселенной допус­кает возможность, что по крайней мере 5% наблюдае­мого гелия образовалось в более поздние моменты вре­мени. Если же учесть в наблюдаемом содержании вклад гелия, который образовался в результате последующего синтеза внутри звезд, то эту оценку можно несколько снизить. При предположении, что 5% гелия синтезиро­валось после рекомбинации водорода, это обеспечит вы­деление 1017—1016 эрг на каждый грамм вещества во Вселенной. Если теперь исследовать баланс между на­гревом вещества и его охлаждением при обратном комп­тоновском рассеянии, то, несмотря на такой эффектив­ный подогрев, газ все равно должен был быстро остыть и рекомбинировать. Следовательно, мы приходим к выводу о том, что между современным высокотемператур­ным и ионизованным состоянием вещества и таким же, но более плотным состоянием вещества на более ранних этапах расширения Вселенной был период, когда веще­ство находилось в холодном нейтральном состоянии. Рас­четы показывают, что этот период холодного вещества длился по крайней мере от zрек ~ 1300 до 2—300. Если такое энерговыделение происходило на более поздних этапах расширения Вселенной, более близких к совре­менной эпохе, то в силу уменьшения как плотности ре­ликтового излучения, так и плотности вещества эффек­тивность охлаждения газа сильно уменьшалась, и иони­зованный газ мог сохраниться и до настоящего момен­та, что и наблюдается. Вполне разумно связать этот про­цесс энерговыделения с образованием галактик во Все­ленной.

Обсуждая физические условия в моменты времени после рекомбинации вещества, мы использовали тот факт, что реликтовое излучение является «телом», кото­рое эффективно забирает тепло от вещества. Если на время представить, что реликтового излучения в тот пе­риод не было или плотность его была сравнительно ма­лой, то горячий газ мог бы в принципе сохраниться до настоящего времени с ранних эпох. Передача энергии от горячего вещества к реликтовому излучению за счет обратного Комптон-эффекта приводит к искажению спектра реликтового излучения. Так как при обрат­ном Комптон-эффекте кванты в среднем увеличивают свою частоту, это приводит к специфическому уменьше­нию числа реликтовых фотонов в низкочастотной «рэлей-джинсовской» области спектра и увеличению их чис­ла в высокочастотной «виновской» области. Специфика искажений связана с тем, что при комптсновском рас­сеянии полное число квантов сохраняется, меняется только их распределение (в отличие от механизмов излучения и поглощения, когда об­щее число квантов может и не сохраняться). С точки зрения наблюдений такие искажения означают, что температура реликтово­го излучения в низкочастотной области спектра будет ниже температуры, измеренной в высокочастотной обла­сти. Эффективность комптоновского рассеяния сильно зависит от плотности плазмы, так как чем выше плот­ность плазмы, тем большее число столкновений испытывает фотон и тем сильнее меняется частота фотона. Кроме того, величина искажений спектра реликтового излучения сильно зависит от температуры плазмы, по­скольку с повышением температуры увеличиваются ско­рости электронов плазмы, а следовательно, и изменяет­ся частота фотона при каждом акте рассеяния. Из при­веденного анализа следует, что если процессы энерговы­деления имели место на более ранних стадиях расшире­ния Вселенной, когда плотность и температура были выше, то следует ожидать больших искажений спектра реликтового излучения. На рис. 11 представлены резуль­таты расчета искажений спектра реликтового излуче­ния из-за взаимодей­ствия с горячим га­зом, который был нагрет до температу­ры 3•106°К. Цифры у каждой кривой оз­начают логарифм плотности частиц, при которой произо­шел нагрев. Жирная кривая соответствует интенсивности излу­чения абсолютно черного тела с тем­пературой 2,7° К. Плотность вещества, определяемая кри­вой «6», равна 10-18 г/см3 и прихо­дится на эпоху око­ло 104 лет с начала расширения Вселенной, кривая «0» — через 107 лет после начала расширения. Сравне­ние таких теоретических кривых с наблюдаемойпозво­лит сделать вывод о продолжительности энерговыделе­ния во Вселенной.

Ожидаемые искажения спектра реликтового излучения

Ожидаемые искажения спектра реликтового излучения

Теперь мы вплотную подошли к вопросу о времени нагрева межгалактического газа до температур, превы­шающих 105°К. Что за процессы привели к столь мощ­ному нагреву? Так как этот разогрев произошел при z<300, он, по-видимому, связан с процессами образова­ния объектов Вселенной, таких, как квазары, галактики и их скопления. Простая экстраполяция наблюдаемого разбегания галактик показывает, что при z ~ 3—6 галак­тики должны были быть близки друг к другу. Поэтому лучше говорить, что как раз в эту эпоху из окружающе­го однородного и изотропного распределения вещества образовались галактики. Рассматриваемая теория горя­чей модели Вселенной еще не может в деталях описать этот процесс образования галактик, хотя общую схему образования галактик можно представить себе следую­щим образом.

Где-то на ранних стадиях расширения Вселенной, на фоне однородного и изотропного распределения вещест­ва существовали флуктуации плотности. В процессе дальнейшего расширения Вселенной флуктуации опреде­ленных масштабов, например, с масштабами, соответ­ствующими по массам скоплениям квазаров и галактик, росли, а другие, наоборот, затухали.

Сейчас еще не ясна причина возникновения этих флуктуации и не ясен в деталях процесс рассасывания флуктуации других масштабов. Очевидно одно, что рост возмущений, соответствующих масштабам скоплений, связан с процессом гравитационной конденсации. При гравитационной конденсации небольшое увеличение плотности в рассматриваемом объеме приводит к увели­чению силы тяжести и к дальнейшему сжатию вещества. Затем к моменту времени, соответствующему z ~ 3—6, эти флуктуации вырастают настолько, что они представ­ляют обособленные объекты Вселенной. Расчет физиче­ских процессов в этих конденсациях показал, что наи­более эффективно процесс сжатия происходил в каком-то одном направлении (анизотропно) и привел к упло­щению этих образований. Процесс сжатия и уплощения таких образований шел очень быстро и обусловил огром­ное энерговыделение, которое происходило за счет дис­сипации энергии встречных ударных волн, образовав­шихся при падении вещества на экваториальную плос­кость образований. Это выделение энергии вызвало об­разование мощного потока ультрафиолетового излуче­ния, которое выходило наружу и ионизовывало остав­шееся вещество Вселенной. Неоднородности в распре­делении температуры и плотности вещества уже внутри такого образования привели в дальнейшем к еще более мелкому его дроблению. Эти более мелкие образова­ния затем конденсировались в галактики.

Как сказывается такой процесс образования скоплений и отдельных галактик на реликтовом излучении? Очевидно (см. рис. 11), что не следует ожидать значи­тельных искажений его спектра, так как в момент об­разования плотность вещества во Вселенной была при­мерно 5 • 10-22 г/см3. Кроме того, внутри скоплений бу­дут более высокие плотности вещества и более высокие температуры по сравнению со средними их значениями во Вселенной. Поэтому следует ожидать эффективного взаимодействия реликтового излучения с плазмой внут­ри скопления. Размеры таких скоплений примерно со­ответствуют 1000 Мпс. Эта оценка согласуется с разме­рами скопления квазаров (если они существуют), полу­ченных из анализа распределения фонового радиоизлу­чения и подсчета квазаров. Наличие в прошлом таких скоплений приводит к флуктуациям реликтового излу­чения порядка десятых долей процента в угловых мас­штабах около 15°. Современная техника как раз стоит на грани возможности обнаружения таких флуктуа­ции.

Конечно, следует ожидать флуктуации интенсивно­сти реликтового излучения в масштабах, меньших 1°, связанных с возмущениями плотности вещества, привед­ших к образованию отдельных галактик. По величине мелкомасштабных флуктуации фона можно было бы су­дить о величине этих возмущений в период рекомбина­ции и тем самым определить время образования галак­тик. К мелкомасштабным флуктуациям могло бы при­вести также воздействие гравитации на излучение при образовании массивных объектов и взаимодействие све­та с гравитационными волнами. Таким образом, наблю­дения флуктуации реликтового излучения могут нам дать информацию не только об образовании скоплений и от­дельных объектов, но также и о гравитационных волнах во Вселенной. В действительности основной вклад в мел­комасштабные флуктуации реликтового фона дают дис­кретные источники радио- и инфракрасного излучения. На длинных волнах велик вклад от нормальных радио­источников, а в миллиметровом диапазоне — от инфра­красных источников, таких, как ядра галактик и ква­зары.

comments powered by HyperComments