крупномасштабная структура Космоса
наблюдаемая Вселенная
скопления галактик;
сверхскопления;
нити
чёрные дыры
тёмная материя
эволюция Космоса
красное смещение и расширение Вселенной
реликтовое излучение
реконструкция ранней эволюции
история изучения
приложение
сокращения
Крупномасштабная структура Космоса
Большие галактики, в т.ч. нашу, сопровождает свита карликовых.
Галактики объединены в трёхмерные скопления; те – в почти плоские сверхскопления- стены; те – в почти линейные нити. Нити образуют паутину- сеть крупномасштабных структур.
Есть большие группы квазаров (LQG), вероятно, связанных гравитационно. Возможно LQG - предшественники стен и нитей галактик.
Формирование этих структур происходило под воздействием гравитации.
На масштабе ~300 мпк Вселенная представляет собой объединение нитей скоплений, которые разделёны областями- войдами, в которых почти нет светящейся материи. Войды имеют размер ~100 мпк./
Крупномасштабная структура Вселенной напоминает сетку - галактики располагаются вдоль соединенных между собой узких нитей, пространство между которыми пусто.
В самых плотных узлах сети находятся самые массивные, притом эллиптические галактики.
Наблюдаемая Вселенная
Наблюдаемая Вселенная – шар диаметром ~93 млрд. св.л., с центром в Солнечной системе.
Граница наблюдений – реликтовое излучение. Оно (или поверхность последнего рассеяния) – наиболее удалённый объект Вселенной, наблюдаемый сейчас. Расстояние до него ~65 млрд. св.л. во всех направлениях.
Самый удалённый от Земли наблюдаемый объект, кроме реликтового излучения, – галактика GN-z11. Её красное смещение 11,1, свет шёл от неё 13,4 млрд. лет; она сформировалась <400 млн. лет после Большого взрыва. Она в 25 раз меньше Галактики по размеру и в 100 раз по массе звёзд. Наблюдаемая скорость звездообразования в ~20 раз превышает современную для Млечного Пути.
Найдены 4 галактики с красным смещением >10; тогда Вселенной было ~330 млн. лет (2022 г., Уэбб).
Радиус Шварцшильда всей Вселенной сравним с радиусом наблюдаемой её части.
В наблюдаемой Вселенной 200-500/ >500 млрд. галактик.
Скопления галактик
Галактики распределены неравномерно - большинство из них объединены в скопления, или кластеры, содержащие k10-k1000 галактик.
Общая масса скопления может быть >106MS.
Кластеры часто собраны вокруг массивных галактик. В их ядрах преобладают эллиптические галактики – массивные старые галактики с небольшим образованием звезд. / Сегодня скопления – это области, где почти не образуются новые звезды./ В ядрах скоплений находится красная последовательность: у тамошних галактик разные диапазоны звездных масс, но все имеют похожий красный цвет, т.е. это старые звезды.
Галактики кластеров удерживаются в них гравитацией.
Внутренняя среда кластеров заполнена горячей плазмой 106К / кластеры погружены в горячий газ; энергия газа в кластера увеличивается соответственно гравитационному потенциалу кластера, определяемому общей массой. Внутрикластерный газ настолько горяч, что испускает Р излучение. Кластеры обнаруживают по нему.
Между кластерами отсутствуют/ почти галактики; такие области называют войдами.
Кластеры окружены массивными гало темной материи.
примеры
Местная группа галактик (МГГ).
Скопление из k1000 галактик в регионе Центавра A.
Скопление вокруг М 83 (Южная Вертушка, спиральная галактика в созвездии Гидры).
Скопление квазаров, размером 4 млрд. св.л.
 |
 |
| Скопление галактик Abell 1689. Галактики скопления изображены жёлтым; галактики на заднем фоне (синие и красные) изогнуты в длинные дуги – эффекты гравитационного линзирования. ("Хаббл"). |
| Скопление галактик Abell 2218. Дуги на снимке также являются изображениями далёких галактик, искажёнными гравитационным полем скопления. ("Хаббл"). |
Сверхскопления
Скопления + изолированные галактики образуют ещё большие структуры, сверхскопления, содержащие 2-20 галактических скоплений.
Сверхскопления включают k1000 галактик. Их размеры k100 млн. св.л.
Сверхскопления настолько велики, что не являются гравитационно-связанными.
В шаре с центром в Солнце и радиусом 1 млрд. св.л. находится ~100 сверхскоплений.
Форма сверхскоплений уплощенная, часто вытянутая, наподобие лент. Она может иметь вид от цепочки, напр. цепочка Маркаряна; стены, напр. великая стена Слоуна.
Сверхскопления расположены в галактических нитях, либо в узлах пересечения нитей.
примеры
Великая стена Слоуна. Комплекс сверхскоплений галактик. Плоская структура из галактик. Длина >1,37 млрд. св.л., это ~1/60 диаметра наблюдаемой Вселенной. Наиболее плотный из известных; за ним следует сверхскопление Девы-Волос Вероники (SCL 111); третий по размеру. От Земли 1,2 млрд. св.л.
Великая стена Геркулес-Северная Корона. Огромная плоская структура из галактик. Стена из групп галактик, соединённых гравитацией. В длину >10 млрд. св.л., ~1/6 диаметра наблюдаемой Вселенной, в ширину 7,2 млрд. св.л. Красное смещение 1,6-2,1; от Земли ~10 млрд. св.л.
Великая стена CfA2 (Center for Astrophysics). Плоская структура скоплений галактик. В длину 500 млн. св.л., в ширину 300 млн., в толщину 15 млн. От Земли ~200 млн. св.л.
Нити
Сверхскопления являются частями нитей, которые могут достигать в длину 1 млрд. св.л., т.е. >5% наблюдаемой Вселенной. / Нити и пустоты образуют протяжённые относительно плоские структуры - стены.
Чёрные дыры
Если M – масса ЧД, то её радиус Шварцшильда R = 2G*M/c2, это ~2,95M/MS; G - гравитационная постоянная, c - скорость света.
Стационарная ЧД для внешнего наблюдателя имеет только массу, момент импульса и заряды. Другой информации о ней нет, в т.ч. радиуса.
Нижний предел массы ЧД – 2,5-5,6MS; размеры до k10 км.
У вращающейся ЧД вокруг горизонта событий существует т.н. эргосфера, внутри которой телам невозможно покоиться относительно удалённых наблюдателей. Они могут лишь вращаться вокруг ЧД по направлению её вращения - эффект "увлечения инерциальной системы отсчёта"; он наблюдается вокруг любого вращающегося массивного тела, напр., вокруг Земли или Солнца, но в меньшей степени. Саму эргосферу ещё можно покинуть, эта область не является захватывающей. Размеры эргосферы зависят от углового момента вращения.
Столкновение ЧД между собой, с другими массивными объектами; столкновение нейтронных звёзд с образованием ЧД приводит к мощному гравитационному излучению.
ЧД во Вселенной
Два класса: сколлапсировавшие звёзды и ядра галактик.
Сколлапсировавшие звёзды имеют массы ~10MS и размеры k10 км.
В ядрах галактик находятся сверхмассивные ЧД; их массы порядка 106-108MS .
Сейчас единственный достоверный способ отличить ЧД дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным.
Большинство способов определить массу и размеры сверхмассивного тела основаны на измерении характеристик орбит вращающихся вокруг них объектов (звёзд, радиоисточников, газовых дисков).
Обычно вращение происходит по орбитам, где скорость вращения =k*sqrt (R), R – большая полуось орбиты; т.о. определяется притяжением.
ЧД в ядрах галактик
Каждая галактика имеет в центре массивную черную дыру.
Сверхмассивные черные дыры могут быть по массе >k106MS.
Масса ЧД положительно коррелирует с массой звезд в ядре.
Доплеровские смещения в спектрах звезд вблизи ядер галактик указывают на то, что они вращаются вокруг огромных масс, что указывает на наличие ЧД.
Массу ЧД можно определить, измеряя параметр орбит звезд.
Центральные ЧД большинства галактик, включая нашу, относительно пассивны.
аккреция на ЧД
В ЧД падают находящие поблизости от него пыль и газ (аккреция).
При падении газа и пыли на ЧД формируется, из-за вращения этих частиц, аккреционный диск / падающее в ЧД вещество, видимо, имеет угловой момент, что ведёт, при наличии достаточно
большого количества газа и пыли, к образованию вокруг ЧД аккреционного диска (АД).
В результате аккреции масса ЧД растёт. Аккреционные диски ЧД ядер галактик и нейтронных звёзд очень сходны.
излучение при аккреции
Движение вещества в АД, в т.ч. его падение в ЧД вызывает излучение: при 1) трении частиц между собой, что приводит к их нагреву; 2) ускорении заряженных частиц, в т.ч. релятивистских из-за а) падения в ЧД б) действия М-поля ядра; 3) переизлучении при поглощении излученных фотонов высокой энергии облаками газа и пыли вне ядра, в т.ч. расположенным в k парсеках от ЧД тороидом, содержащим горячий газ с плотными областями; 4) от выходящих из ЧД струй; 5) обратное комптоновское рассеяние.
/ в АД вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается; в результате излучает, в т.ч. в Р диапазоне. Это даёт возможность обнаруживать такие аккреционные диски и т.о. ЧД.
Излучение, порождённое быстрыми электронами в М-поле, называется синхротронным.
Излучение производится в разных диапазонах, в т.ч. ИК (тепловом), оптическом, УФ, Р; для ядер галактики оно иногда затмевает остальную часть галактики.
Широкие линии излучаются из области, близкой к ЧД, узкие – из более отдалённой.
Иногда из ЧД выходит узкий мощный коллимированный (не расходящийся) луч- струя; она выходит перпендикулярно АД; коллимируется комбинацией М-полей и ветров от АД и тороида; могут простираться на k10 килопарсек от ЧД.
Уровень Р светимости прямо связан с аккрецией центральной ЧД. Активные ЧД ищут при помощи Р телескопов.
Облако газа, падающее на ЧД, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) быстро меркнет при приближении к горизонту, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1.
При падении газа на ЧД (аккреции) формируется, из-за вращения газа, аккреционный диск; в нём вещество разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается; в результате излучает, в т.ч. в Р диапазоне. Это даёт возможность обнаруживать такие аккреционные диски и т.о. ЧД.
Аккреционные диски нейтронных звёзд и ЧД очень сходны.
Облако газа, падающее на ЧД, из-за неограниченно растущего гравитационного замедления времени (красного смещения) быстро меркнет при приближении к горизонту, что наблюдалось телескопом Хаббла в случае источника Лебедь X-1.
примеры
Обнаружено ~1 тыс. объектов во Вселенной, причисляемых к ЧД.
В Галактике обнаружено k100 ЧД; всего их, вероятно, 108.
11 февраля 2016 г. обнаружены гравитационные волны, возникших при слиянии двух ЧД масс 30MS на расстоянии 1,3 млрд. св.л. от Земли. ЧД в центре Галактики. 26 тыс. св.л. от Солнца; ближайшая сверхмассивная ЧД.
1993- 96 гг. А. Экарт и Р. Генцель наблюдали движение звёзд в окрестности центра Галактики. Наблюдения проводились в ИК лучах, которым слой пыли вблизи ядра галактики не мешал Точно измерены параметры движения 39 звёзд, находящихся на расстоянии 0,13-1,3 св.л. от центра Галактики. Они соответствуют притяжению центрального тела массы 2,5*106MS и радиуса <0,05 св.л. Его положение совпадает с положением компактного радиоисточника Стрелец А.
1996 г. известны >600 звёзд в области диаметром ~1 пк (25") вокруг радиоисточника Стрелец А*; для 220 из них определены радиальные скорости. Оценка массы центрального тела составила 2-3*106MS, радиуса – 0,2 св.л.
Рассчитаны орбиты ближайших к центру галактики 28 звёзд. Звезда S2 за время наблюдений (1992 - 2007 гг.) сделала полный оборот вокруг ЧД. Период обращения 15,8±0,11 г., большая полуось орбиты 0,123" ± 0,001, эксцентриситет = 0,880±0,003, максимальное приближение к центру 0,015". Параметры орбиты S2 близки к определяемым притяжением, что позволило дать оценку массу центрального тела. Гравитационный радиус ЧД массы 4*106MS ~12 млн. км, в 1400 раз меньше, чем ближайшее расстояние, на которое подходила к центральному телу звезда S2. Т.о. центральный объект – это не скопление звёзд малой светимости, нейтронных звёзд, т.к. будучи сконцентрированы в столь малом объёме они вскоре слились бы в единый объект.
ЧД в галактике М87. Обнаружена вращающаяся газовая структура в центре галактики M87. Скорость вращения газа на расстоянии ~60 св.л. от центра галактики 550 км/с, что соответствует движению под воздействием тяготения тела массы ~3*109MS. Несмотря на такуюмассу, нельзя сказать с полной определённостью, что это ЧД, т.к. гравитационный радиус такой ЧД ~0,001 св.л. / Чтобы звёзды двигались в галактике М87 так, как это наблюдают сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть >6,4*109MS.
ЧД в карликовой галактике Лев I. В центре ЧД массы ~3*106MS. Неясно, как в карликовой сферической галактике появилась сверхмассивная ЧД.
 |
 |
| Чёрная дыра галактики М87 (NGC 4486). Вид в радиодиапазоне (снимок EHT). |
| Чёрная дыра нашей Галактики (снимок EHT). |
 |
 |
| Галактика Треугольник (М33, NGC 598) совмещенное изображение в оптическое и рентгеновским (розовый цвет) диапазонах. |
| Галактика Треугольник в рентгеновском диапазоне. Нейтронные звезды, черные дыры, двойная звездная система из горячей голубой звезды и ЧД звездной массы (снимок телескопа"Чандра"). |
 |
 |
| Орбитальный рентгеновский телескоп Chandra. |
| Орбитальная обсерватория Swift, с помощью которой была определена масса чёрной дыры – ядра галактики-квазара S5 0014+81. |
Гипотетические ЧД
первичные чёрные дыры
Если "вскоре" после Большого взрыва имелись достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то они могли сколлапсировать в чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при коллапсе звёзд.
квантовые чёрные дыры
Элементарные объекты можно разделить на элементарные частицы (их длина волны больше их гравитационного радиуса) и чёрные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса).
Вероятно, спектр масс квантовых чёрных дыр дискретен и существует минимальная чёрная дыра – планковская чёрная дыра.
В результате ТЯ реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, т.н. квантовые. Для их математического описания необходима квантовая теория гравитации.
планковская чёрная дыра
Гипотетическая ЧД дыра с минимально возможной массой, порядка 10−5 г. Её радиус 10−35 м; комптоновская длина волны по порядку величины равна её гравитационному радиусу.
Планковскую ЧД называют максимон, как самую тяжёлую из возможных частиц.
Возможно, обычные ЧД в конечном счете эволюционируют ("испаряясь") в планковские ЧД.
История изучения
1784 г. Джон Мичелл в письме в ЛКО представил расчёт, из которого следовало, что для тела радиуса 500RS и с плотностью Солнца 2-я космическая скорость на его поверхности будет = с, и т.о. свет не сможет покинуть это тело; оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов.
1796 г. Лаплас включил обсуждение этой идеи в свой труд Exposition du Systeme du Monde, однако в последующих изданиях этот раздел был опущен.
1916 г. К. Шварцшильд получил величину гравитационного радиуса чёрной дыры в результате решение уравнений ОТО для сферически симметричного тела без вращения и без электрического заряда. Такая же величина получается в результате вычислений на основе классической механики.
1916- 18 гг. Решение Рейснера-Нордстрёма для сферически-симметричной статичной чёрной дыры с зарядом.
1963 г. Рой Керр дал стационарное, осесимметричное решение для вращающейся чёрной дыры без заряда.
1965 г. Р. Керр, Э. Т. Ньюмен, Э. Кауч, К. Чиннапаред, Э. Экстон, Э. Пракаш, Р. Торренс дали решение для стационарного и осесимметричного случая.
1970-е- 80-е гг. открытие пульсаров (1968 г.), а затем и другие данные подтвердили реальность чёрных дыр. Были обнаружены сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик.
Тёмная материя
Гипотетическое вещество, которое взаимодействует с обычным только гравитационно, но не ЭМ и никакими другими полями.
Аргументы (факты, для объяснения которых вводится концепция "тёмной материи"):
* Скорости орбитального вращения звезд при удалении от центра Галактики падают вначале по закону тяготения, как если бы основная притягивающая их масса была сосредоточена в центре, но потом выравниваются, что не согласуется с этим предположением. Скорость вращения звёзд на периферии звёздных дисков не убывает.
Отсюда вводится гипотеза о некоей дополнительной массе, определяющей такие их орбиты.
* Движение галактик-спутников вокруг крупных показывает распределение гравитационного потенциала последних. Анализ таких данных для нашей и других галактик показал, что общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу её звёзд.
То же показывают расчёты для движений галактик в их скоплениях. При этом доля тёмной материи растёт с увеличением масштаба: для двух галактик она превышает вклад обычной материи в k раз, для скоплений галактик (состоящих из сотен и тысяч объектов) – в k10-k100 раз.
* С помощью Р телескопов определяется распределение поверхностной яркости (в Р диапазоне) и температуры горячего газа в гигантских эллиптических галактиках/ скоплениях; из этого строится радиальное распределение плотности и температуры газа, и далее профиль масс галактики/ скопления, из условия гидростатического равновесия. Масса одних звёзд и газа, по расчётам, недостаточна для удержания входящего в галактики/ скопления горячего газа.
* Распределение основной массы скопления галактик Пуля (определённое с помощью оценки гравитационных линз) совпало с оптическим изображением галактик, в то время, как оно должно было бы соответствовать распределению плазмы (наблюдаемой в Р диапазоне).
Пик плотности массы скопления CL0024+17 находится в кольцеобразной, далёкой от центра области, не совпадающей с определяемым по расположению горячего газа и звёзд.
Сходные результаты дало изучение распределения масс в скоплениях MACS J0025.4-1222, Abell 2744, Abell 520 и др.
* Расчёт масс скоплений галактик с помощью гравитационного линзирования дал отношение тёмной/ обычной материи, близкое к определённым другими методами.
Теория; свойства
Масса составляет 1/4 массы Вселенной.
Средняя по Космосу плотность в несколько раз превышает плотность барионов (?).
Вероятно, тёмная материя оказала влияние на усиление флуктуаций плотности вещества во время вскоре после Большого взрыва; т.о. на крупномасштабную структуру Космоса.
Концентрации тёмной материи захватывают в гравитационные ямы барионы. Поэтому, хотя тёмная материя не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где она есть. Это делает возможным изучение её количества, состояния и распределения и по данным от радиодиапазона до Р излучения.
Диссипация ТМ идёт не как у обычной. Обычная излучает, остывает и оседает в центрах гало. ТМ остается распределенной вокруг видимого вещества галактик, масштаба порядка 200 кпк.
Возможно, тёмную материю могут составлять первичные чёрные дыры, либо планковские ЧД – рассматриваемые в т.ч. как конечный результат эволюции звёзд.
Тёмная материя холодная, состоит из медленных тяжёлых частиц; быстро движущиеся лёгкие частицы размыли бы малые флуктуации плотности в ранней Вселенной. То же по данным WMAP о флуктуациям реликтового излучения.
Исследование движения тел Солнечной системы, основанное на данных 677 тыс. наблюдений положений планет и космических аппаратов, дало верхнюю оценку на количество возможного тёмного вещества в пределах орбиты Сатурна <1,7*10-10MS.
Исследование движения >400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 св.л. от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи. Согласно теории, среднее количество тёмной материи там должно составлять ~0,5 кг на объём Земли. Но измерения дали в этом регионе оценку <0,06 кг тёмной материи на этот объём.
частицы
Частицы движутся со скоростью << c, поэтому ТМ называют холодной (CDM).
Частицы холодной тёмной материи условно названы вимп (weakly interacting massive particle).
Версии вимпов: гипотетические аксионы – нейтральные псевдоскалярные частицы, введённые для решения проблемы отсутствия сильного CP-нарушения в КХД; гравитино; нейтралино – смешанное состояние суперпартнёров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса. Нейтрино, хотя они и не участвуют ни в сильном, ни в ЭМ взаимодействиях, как считается, не могут быть вимпами.
История изучения
1906 г. термин "тёмная материя" (фр. matière obscure) использовал Анри Пуанкаре, возможно, впервые; развивая идеи лорда Кельвина насчёт оценки массы звёзд Галактики из распределения их скоростей: "Множество наших звёзд, возможно, даже подавляющее большинство, могут быть тёмными телами (dark bodies)". Однако он сделал вывод: "Тёмной материи нет, или, по крайней мере, её не так много, как видимой".
1915 г. эстонский астроном Эрнст Эпик (1893 - 1985 гг.) пришёл к похожему выводу.
1922 г. голландский астроном Иоханнес Каптейн (1851 - 1922 гг.) пришёл к похожему выводу. Он определял "тёмную материю" (dark matter) как ненаблюдаемую материю, о существовании которой можно судить лишь по её гравитационному воздействию. "Таким образом, мы можем оценить массу тёмной материи во Вселенной. Если рассматривать её состояние в текущий момент, доля этой массы, судя по всему, не может быть преобладающей".
1922 г. Джеймс Джинс (1877 - 1946 гг.), также исследовавший движение звёзд в Галактике, пришёл к заключению, что на каждую видимую звезду приходится две "тёмных".
1932 г. Ян Оорт (1900- 92 гг.), ученик Каптейна, дал оценку плотности тёмной материи в окрестности Солнечной системы, изучая вертикальные движения звёзд относительно плоскости Галактики.
По его расчётам, общая плотность вещества превышает плотность видимой материи вдвое, т.е. плотность тёмной материи ~ равна плотности видимых звёзд и составляет 0,05MS/пк3.
Тогда считалось, что тёмная материя представляет собой просто тёмное вещество, которое не излучает достаточно, чтобы его заметить, света.
1933 г. Фриц Цвикки (1898 - 1974 гг.) обнаружил необычно большой разброс радиальных скоростей у 8-ми галактик в скоплении Волос Вероники (скопление Кома, Abell 1656) и заключил, что для устойчивости скопления его полная масса должна быть в 400 раз больше, чем масса входящих в него звёзд: "Если это подтвердится, то мы придём к поразительному выводу – что количество тёмной материи гораздо больше, чем светящей". 1937 г. Цвикки уточнил свои расчёты; упоминал о "тёмной материи, содержащейся в туманностях в виде холодных звёзд, других твёрдых тел и газов", т.е. он также всё ещё считал её разновидностью обычного вещества. Цвикки применял в расчётах завышенное в ~8 раз значение постоянной Хаббла и получил завышенное отношение масса/ светимость, как следствие, завышенное количество тёмной материи.
1936 г. Синклер Смит (1899 - 1938 гг.), астроном из обсерватории Маунт Вильсон, получил похожий результат для другого скопления галактик – Девы: средняя масса одной входящей в его состав галактики составляла, согласно его расчётам, 2*1011MS, что на 2 порядка превышало оценку, сделанную ранее Хабблом. Как и Цвикки, работу которого он цитировал, Смит объяснял это присутствием в скоплении большого количества межгалактического вещества. Вскоре обнаружилась проблема с распределением масс и отношением масса/ светимость для спиральных галактик, полученным по данным об их вращении.
1939 г. Хорес Бэбкок (1912 - 2003 гг.) описал кривую вращения звёзд в галактике Андромеды – скорость вращения звёзд вокруг её центра не уменьшалась, как предсказывала небесная механика, по 1/sqrt(R), а оставалась почти постоянной. Он сделал вывод, что существует значительная масса вещества во внешних областях галактики, невидимого, излучение которого поглощается пылью.
1940 г. Оорт, изучив кривую вращения звёзд галактики NGC 3115, получил слишком высокое отношение масса/ светимость для внешних областей галактики, противоречившее представлениям, что её основная масс заключена в её звездах.
Бэбкок, и Оорт отметили важность изучения кривых вращения внешних областей галактик, но их результаты не привлекли в то время внимания, как, впрочем, и результаты Цвикки и Смита.
1957 г. голландский астроном Хендрик ван де Хюлст (1918 - 2000 гг.) получил кривую вращения галактики Андромеды, изучая излучение на волне 21 см; обнаружил, что источник радиоизлучения в ней простирается на расстояние до 30 кпк от центра, т.е. далеко за пределами оптически видимого диска, и в этой внешней области отношение масса/ светимость составляло ~20. Это расходилось с результатом M/L ~2 для центральной области диска, опубликованным ранее. Т.е. если во внутренней видимой области распределение масс примерно совпадало со светящимся веществом, то во внешнем гало оно было гораздо больше.
1959 г. немецко-британский астрофизик Франц Кан (1926- 98 гг.) и голландский астроном Лодевик Вольтер (1930 - 2019 гг.) оценили суммарную массу галактики Андромеды и нашей из их сближения, вызванного гравитацией. Они получили ~1,5*1012MS, в 6 раз больше суммы отдельных значений, считавшихся тогда массами галактики Андромеды (~1*1011MS) и нашей (~4*1011MS); заключили, что эта недостающая материя существует в виде гало из горячего (~105К) газа вокруг галактик.
август 1961 г. симпозиум "О проблемах внегалактических исследований" в Санта-Барбаре; организован Международным астрономическим союзом; на нём конференция "О нестабильности галактических систем", где обсуждалась проблема масс скоплений галактик. Объяснения расхождения масс, полученных теоретически и рассчитанных по кривым вращения, предполагали существование невидимого межгалактического вещества, составляющего 90-99% масс скоплений.
Конец 1960-х - начало 1970-х гг. астрономы Вера Рубин и Кент Форд получили спектральные данные по скорости вращения звёзд галактики Андромеды. Кривая вращения оставалась пологой на расстоянии до 24 кпк от центра, что согласовывалось с опубликованными ранее измерениями в радиодиапазоне.
1970 г. Кен Фримен, анализируя данные по галактикам M33 и NGC 300, пришёл к выводу, что "Если [данные] верны, то в этих галактиках должна присутствовать материя, которая не регистрируется ни на оптической, ни на радиочастоте. Её масса должна быть по меньшей мере такой же, как и масса зарегистрированной обычным путём галактики, а её распределение может сильно отличаться от экспоненциального, характерного для оптически наблюдаемой галактики".
1970-е гг. доводы за массивные гало/ короны галактик вдали от их центра высказали Яан Эйнасто, Джереми Острайкер, Джим Пиблс, проанализировавшие накопленный объём данных, помимо кривых вращения, по движению карликовых галактик, пар и скоплений галактик. Статья Острайкера и Пиблса начиналась так: "Есть основания, всё более многочисленные и достоверные, считать, что оценки масс обычных галактик до настоящего времени могли быть занижены не менее, чем в 10 раз".
1978 г. Альберт Босма из университета Гронингена в своей диссертации на степень доктора философии представил пологие кривые вращения для 25 галактик. В этот период были сформулированы, помимо наблюдательных, и теоретические аргументы за существование тёмной материи, основанные на космологических соображениях и результатах численного моделирования. Острайкер и Пиблс, опираясь на работы Цвикки, показали, что без добавления массивных сферических гало галактики были бы неустойчивыми.
Конец 1970-х гг. обзор американских астрофизиков Сандры Фабер и Джона Галлахера, в котором заключается, что "доводы в пользу невидимой массы во Вселенной очень убедительны и становятся всё убедительнее".
1982 г. Пиблс предположил, что противоречие между отсутствием существенных флуктуаций плотности барионной материи в момент рекомбинации и крупномасштабной структурой Вселенной, которая не успела бы развиться за прошедшее с этого момента время, может быть устранено предположением о большом количестве небарионной материи – рост её флуктуаций способствовал бы формированию наблюдаемых неоднородностей распределения масс, никак не отпечатавшись при этом в реликтовом излучении.
1980-е гг. сформулирована гипотеза инфляции, по которой плотность вещества Вселенной в точности равна критической. Поскольку оценки плотности обычного барионного вещества давали ничтожную долю этой величины, это означало существование тёмной материи.
1980-е гг. гипотеза тёмной материи установилась в качестве общепринятой; её исследования сфокусировались на том, что именно она собой представляет.
Начало 1990-х гг.моделирование распределения тёмной материи в галактических гало.
Эволюция Космоса
Красное смещение и расширение Вселенной
Длины волн H-альфа в далёких галактиках увеличиваются приближаясь к 2 микронам (то, что эта линия в спектре именно H-альфа, показывает её положение относительно других линий).
Скорости удаления от нас далеких галактик, рассчитанные по их красным смещениям vг = krг, где rг расстояние от нашей Галактики (закон Хаббла-Леметра). Это трактуется как расширение Вселенной.
Далёкие сверхновые выглядят тусклее, чем даёт линейная экстраполяция их светимости по красному смещению. Это трактуется как увеличение скорости расширения Вселенной.
Реликтовое излучение
Микроволновое излучение со всех сторон неба; космический микроволновой фон. Его спектр – почти АЧТ, представляющее тепловое излучение с пиком, соответствующим t = 2,73К. Почти изотропно.
Распределение температуры по небесной сфере отвечает случайным флуктуациям с нормальным распределением (данные "Планка" и WMAP). Малые пространственные колебания температуры, порядка 1-й части на 100 000. Трактуется как "остаточное тепло Большого взрыва".
Из-за расширения и т.о. охлаждения Вселенной первоначально высокоэнергетическое излучение сместилось в микроволновую область спектра.
Реконструкция ранней эволюции
14 млрд. лет назад Большой взрыв.
Породил раннюю Вселенную, состоявшую из смеси обычной и тёмной материи.
Ионизированная быстро и неупорядоченно двигавшаяся/ горячая плазма / фотоны +.
Обычная материя стала основой формирования протонов, нейтронов, электронов. Темная стала "каркасом", к которому приклеивалась обычная.
Ранние квантовые неравномерности в распределении материи. Гравитация, в т.ч. воздействие тёмной материи, усиливала неравномерность в распределении обычной. (Эти флуктуации позже превратились в галактики, звёзды).
Вселенная стала расширяться.
В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы.
планковское время
С 10−43 сек после Большого взрыва.
Температура 1032К (планковская температура), плотность 1093 г/см³ (планковская плотность).
инфляция
10−41-10−36 сек экспоненциальное расширение Вселенной; "космическая инфляция".
фазовые переходы
10−36 - k сек несколько фазовых переходов состояния Вселенной; её охлаждение.
10−34 сек от объединённого взаимодействия отделилась гравитация. Стала доминирующей силой.
Бариогенезис: кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны.
(асимметричное) образование материи и антиматерии; их частичная аннигиляция.
Выделение электрослабого взаимодействия.
k сек - 20 минут. Первичный нуклеосинтез: протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов.
70 тыс. лет вещество начинает доминировать над излучением; изменение режима расширения Вселенной.
эпоха рекомбинации
через 350/380 тыс. лет после Большого взрыва
Вселенная настолько остыла за время расширения, что протоны стали захватывать электроны. электроны соединились с ядрами простых элементов, гл.обр. водорода и гелия, и некоторого количества дейтерия и лития / материя во Вселенной перешла от состояния ионизированной (со свободными электронами) к нейтральному (с электронами, связанными с атомами ЭМ силой) / из горячей плазмы протонов и электронов образовался нейтральный водород. фотоны Большого взрыва освободились/ перестал рассеиваться ионизированной материей; поверхность последнего рассеивания – приходят к нам как реликтовое излучение. / материя стала прозрачной для излучения; сейчас оно наблюдается в виде реликтового фона.
Это самая отдаленная/ самая ранняя точка, которую мы можем увидеть во Вселенной.
Флуктуации плотности в распределении материи; области более высокой плотности.
Флуктуации температуры реликтового излучения- колебания плотности в среде частиц через k100000 лет после Большого взрыва – "снимок" того времени; фото Вселенной, когда галактики только начали формироваться.
Флуктуации плотности темной и обычной стали увеличиваться из-за гравитации; к ним стал перетекать нейтральный газ.
Когда плотность газа стала достаточно большой, чтобы запустить ТЯ синтез, протогалактики начали формировать звезды.
эпоха реионизации
усл. 500 000 лет после Большого взрыва./ z≈10. / когда t реликтовых фотонов упала до 30К.
Загорелся и начал (ре)ионизировать в основном нейтральный газ. Начальное состояние полной ионизации; затем нейтральная фаза; затем, при запуске первых галактик, снова ионизация.
Наличие впадины Ганна-Петерсона у квазара с z = 6,28 и отсутствие их у квазаров с красным смещением <6, показывает, что водород перешёл от нейтрального к ионизированному в z = ~6. / У старых квазаров есть впадина Ганна-Петерсона; т.о. МЗС тогда была нейтральным газом. Спектры более поздних квазаров содержат лес Лайман-альфа; это показывает реионизацию МЗС в плазму и то, что нейтральный газ существует только в небольших облаках.
Вероятно, основным источником реионизации были не квазары, а самые ранние поколения звезд, т.н. звезды населения III (70%), и карликовые галактики (30%).
Вскоре после появления первого звездного поколения начали образовываться ЧД.
Рост ЧД способствовал реионизации, т.к. они излучали энергию при аккреции вещества.
Образование крупномасштабной структуры Вселенной/ сверхскоплений галактик.
История изучения
1912- 14 гг. Весто Слайфер (1875 - 1969 гг.), изучая спектры галактик, впервые обнаружил космологическое красное смещение.
1922 г. советский математик и геофизик А.А. Фридман (1888 - 1925 гг.) нашёл нестационарные решения уравнений ОТО; отвечавшие расширению Вселенной.
1927 г. Жорж Леметр (1894 - 1966 гг.), математик, астроном, профессор университета Лувена и католический священник, опубликовал статью "Однородная вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса, учитывающая радиальную скорость внегалактических туманностей" (Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques // Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, April 1927), в которой установил, линейную зависимость скорости удаления галактик и их расстояния до нас, дал оценку коэффициента этой зависимости (ныне он называется постоянная Хаббла; был повторно найден Э. Хабблом через 2 года); также дал интерпретацию "красного смещения" галактик как расширения Вселенной. В своей работе Леметр пользовался результатами исследований Слайфера по красному смещению галактик, с которыми он познакомился во время пребывания в США в 1925 гг. Статья Леметра была в 1931 г. переведена на английский язык (A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extra-galactic Nebulae // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1931, 91 (5), pp. 483- 90). Expansion of the universe, The expanding universe // там же., pp. 490-501).
1928 г. Милтон Хьюмасон (1891 - 1972 гг.), работавший в обсерватории Маунт Вильсон, начал систематические спектральные наблюдения слабых галактик с целью определения их скоростей.
1929 г. Эдвин Хаббл (1889 - 1953 гг.) в статье "Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей" (A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae // PNAS, 1929, v. 15, № 3) показал, используя полученные Слайфером и Хьюмасоном данные о красном смещении галактик и свои собственные расчёты расстояний до них (методом наблюдений цефеид), что значения красных смещений и эти расстояния линейно связаны (закон Хаббла-Леметра).
Начало 1930-х гг. Леметр выдвинул гипотезу о первоатоме, из которого развилась Вселенная. (The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory // Nature, May 1931, 127 (3210), p. 706.; The Evolution of the Universe: Discussion // Nature, October 1931, 128 (3234), pp. 699-701; Evolution of the Expanding Universe // PNAS, 1934, 20 (1), pp. 12-17). В 1946 г. он опубликовал книгу "Гипотеза первоатома" (L’Hypothèse de l’Atome Primitif). Примерно тогда же эта его теория получила название "Большого взрыва".
 |
 |
1964 г. американские физики Арно Пензиас (1933 - гг.) и Роберт Вильсон (1936 - гг.) открыли фоновое излучение космоса (реликтовое) и измерили его температуру; получили 3К.
Исследования реликтового излучения дали новый толчок развитию космологии.
С конца 1970-х гг. советские физики А.А. Старобинский (1948 - гг.), А.Д. Линде (1948 - гг.), американский физик Алан Гут (1947 - гг.) и др. разрабатывали теорию раздувающейся Вселенной .
Середина 1990-х гг. данные наблюдений поставили теорию инфляции под сомнение.
С конца 1990-х гг. большинство астрономов приняло космологическую модель Лямбда-CDM. Лямбда (Λ) – космологический член в уравнениях ОТО, CDM - холодная темная материя.
Приложение
Сокращения
специальные
/ – "или", "вариант"
k – "несколько", напр. k100 – "несколько сот"
расстояния
а.е. – астрономическая единица
пк – парсек, кпк – килопарсек, мпк - мегапарсек
излучение
ЭМ – электромагнитный
М-поле – магнитное поле
УФ, ИК, Р – ультрафиолетовый, инфракрасный, рентгеновский (диапазон волн)
разное
MS, LS, RS – масса, светимость, радиус Солнца
MZ – масса Земли
ЧД – чёрная дыра
АЯГ – активное ядро галактики
МГГ – Местная группа галактик
ТЯ – термоядерный
ГП – главная последовательность
БК – белый карлик
АВГ – асимптотическая ветвь гигантов
МЗС – межзвёздная среда