Лекция. Критическая плотность.

План лекции: Определение Оортом средней плотности вещества в окружающей нас области Вселенной.

Построенная А.А.Фридманом космологическая теория расширяющейся Вселенной, подтвержденная позже законом Э.Хаббла о разбегании галактик, поставила сложную проблему перед физической наукой. Вопрос о том, сможет ли тяготение остановить космологическое расширение, или, наоборот, расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, до сих пор не имеет ответа. Динамика расширения Вселенной существенно зависит от отношения W = r/r_с, где r - средняя плотность вещества во Вселенной, r_с - критическая плотность. Космологический параметр плотности W определяет, в частности, момент перехода к инерциальной фазе гиперболического расширения /1/. Если принять за среднюю плотность вещества во Вселенной среднюю плотность галактик r_g в оптическом диапазоне, определенную в 1958 г. Я.Оортом /2/, тогда значение параметра плотности W = r/r_с= 0.03 (где r_с » 10^-29 г/см³) оказывается намного меньше единицы.

В отличие от наблюдений теоретические расчеты дают значения W, близкие к 1. П.Пиблс /3/ в своих обсуждениях сравнивая результаты наблюдений и теоретических расчетов делает вывод, что примирить эти точки зрения могло бы предположение о наличии большого количества слабовзаимодействующих частиц типа нейтрино, фотино, аксиона и т.д., полная масса которых несколько десятков раз превышает массу галактик. Если пространственное распределение этих частиц однородно, в отличие от галактик и их скоплений, тогда динамика движений галактик не отражала бы полностью более однородно распределенную массу Вселенной и была бы совместима с W =1.

По предположению Ейнасто и др. /4/ динамически темная материя может существовать в системах разного ранга: 1) в галактических дисках и карликовых галактиках; 2) в коронах галактик и в скоплениях галактик; 3) равномерно в воидах - в областях Вселенной, где отсутствуют галактики. Их количество соотносится как 1 : 20 : 80 и фактически темная материя может быть барионной и небарионной; причем в последнем случае горячей, теплой и холодной.

Уайт и др. на основе численного эксперимента пришли к выводу, что при наличии байсинга - наиболее высоких пиков плотности барионного вещества, где образуются галактики - роль скрытого вещества хорошо удовлетворяют холодное составляющее (фотино, аксионы).

Если видимое вещество Вселенной обладает явно выраженной скученностью в системы разного масштаба, то невидимое вещество («скрытая масса»), судя по данным ряда авторов /3/, распределено довольно однородно.

Лекция. Реликтовое излучение.

План лекции: Предсказание Гамовым реликтового излучения и открытие реликтового излучения. Пульсары и барстеры. Гипотезы о внеземных цивилизациях.

По предположению на роль «скрытой массы» могут претендовать многие частицы, такие как: нейтрино, аксионы, фотино, гравитино, первичные черные дыры (ПЧД), магнитные монополи, полонино, электрослабые самородки, планктоны.

Кроме них нам известны труднодоступные для наблюдения в видимом диапазоне объекты: карликовые галактики, коричневые карлики (звезды малой массы), юпитеры (объекты планетной массы), пыль и др., которые также могут претендовать на роль «скрытой массы» /34/.

В последнее время появился еще один кандидат на роль скрытых масс - холодные облака молекулярного водорода, их называют «клампускулами». Средняя плотность молекул газа в клампускулах . Температура облака составляет 3 К, размеры порядка 30 а.е., а масса примерно равна массе Юпитера. Излучение молекулярного облака современными приборами не обнаруживается /5/.

Ниже приведены характеристики для некоторых частиц, являющихся, вероятно, основными составляющими невидимой материи:

§ нейтрино - нейтральные частицы с ненулевой массой покоя, рождающиеся при ядерных реакциях (электронное n_e, мюонное n_m , тау-нейтрино n_t). По данным московской группы по изучению b-распада трития масса покоя электронного нейтрино 20эВ £ m_n £ 45эВ с точностью 90%.

Эксперименты с W- и Z-бозонами дали ограничения для массы покоя мюонного нейтрино m_n_m< 250эВ, и для тау-нейтрино m_n_t < 70 МэВ /5/.

§ аксион - голдстоновский бозон, который рождается в большом количестве внутри звезд вследствие взаимодействия высокоэнергичных фотонов и электронов друг с другом или с другими частицами, масса покоя ограничена сверху ~ 1 эВ, для космологии критическая масса аксиона равна 10^-6 эВ /6/.

§ фотино - суперсимметричный партнер фотона, существование фотино предсказывается суперсимметричными теориями. Они рождаются в источниках высокоэнергетических космических лучей. В качестве кандидата на источники рассматриваются Лебедь Х-3, Геркулес Х-1, являющийся мощным источником нейтральных частиц с энергиями 10⁴ ТэВ /8/.

Распад массивных фотино на фотон и голдстино должен проявляться в потоке фотонов с энергиями 125-250 эВ (при массе фотино 250-500 эВ). Попытки пронаблюдать фотоны от распада фотино могли бы открыть новый канал астрофизической информации, связывающий нынешнее состояние Вселенной с ранними фазами космологического расширения /9/.

Возможно существование потоков фотино с энергиями >10⁴ ТэВ на уровне 10^-14 см^-2с^-1 /37/. Индикатором массивных нейтрино и фотино в гало Галактики являются обнаружение в фоновом галактическом излучении ультрафиолетовых (УФ) фотонов с энергией ~ 50 эВ. /4/.

Из характеризуемых частиц нейтрино является горячей составляющей скрытой материи (горячей основой формирования галактик во Вселенной), а аксионы, фотино и гравитино являются холодными составляющими.

7-лекция. Средняя плотность Вселенной.

План лекции: Невидимые массы и современные теории о средней плотности Вселенной. Изучение сверхскоплений галактик.

Построенная А.А.Фридманом космологическая теория расширяющейся Вселенной, подтвержденная позже законом Э.Хаббла о разбегании галактик, поставила сложную проблему перед физической наукой. Вопрос о том, сможет ли тяготение остановить космологическое расширение, или, наоборот, расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, до сих пор не имеет ответа. Динамика расширения Вселенной существенно зависит от отношения , где - средняя плотность вещества во Вселенной, - критическая плотность. Космологический параметр плотности определяет, в частности, момент перехода к инерциальной фазе гиперболического расширения. Если принять за среднюю плотность вещества во Вселенной среднюю плотность галактик в оптическом диапазоне, определенную в 1958 г. Я.Оортом, тогда значение параметра плотности = 0.03 (где 10^-29 г/см³) оказывается намного меньше единицы.

В отличие от наблюдений теоретические расчеты дают значения , близкие к 1. П.Пиблс в своих обсуждениях сравнивая результаты наблюдений и теоретических расчетов делает вывод, что примирить эти точки зрения могло бы предположение о наличии большого количества слабовзаимодействующих частиц типа нейтрино, фотино, аксиона и т.д., полная масса которых несколько десятков раз превышает массу галактик. Если пространственное распределение этих частиц однородно, в отличие от галактик и их скоплений, тогда динамика движений галактик не отражала бы полностью более однородно распределенную массу Вселенной и была бы совместима с =1.

Л.Фанг выделяет три группы методов определения параметра замедления расширения Вселенной:

4) методы, основанные: либо на измерении средней плотности вещества, заполняющего Вселенную - подсчет среднего числа галактик в единице объема (как было упомянуто выше); либо на наблюдательное определение и теоретический расчет средней плотности дейтерия; либо на динамический расчет средней плотности с помощью теоремы вириала;

5) методы, основанные на определении соотношения «угловой размер - красное смещение» для различных объектов;

6) методы, основанные на использовании соотношения «видимая звездная величина - красное смещение».

Первая группа методов дает оценку , вторая - и, наконец, третья - . Обсуждая причины, объясняющие эти различия Л.Фанг приходит к заключению, что возможно во Вселенной имеется большое количество невидимой («скрытой») материи, имеющей небарионную структуру.

Однако гравитационное взаимодействие галактик со слабовзаимодействующей компонентой массы препятствует сегрегации массы от галактик. Таким образом, либо современные теории образования галактик не учитывают каких-то существенных факторов, либо космологическая модель с W = 1 не адекватна наблюдаемой Вселенной.

В связи с вышесказанным в настоящее время очень актуальной является проблема «скрытых масс», решение которой может, по-видимому, прояснить многие аспекты поставленной задачи.

Лекция. Вириальная теорема.

План лекции: Применение вириальной теоремы в определении массы и «вириальный парадокс» Цвикки. Объяснение Амбарцумяном неустойчивости скоплений галактик.

Второй способ исходит из известной теоремы о вириале сил. Масса, определенная вторым способом называется «вириальной» массой. При этом для определения полной массы системы необходимо знать расстояния компонентов до центра масс и их скорости относительно центра масс. Тогда, используя теорему Клаузиуса о вириале сил, можно определить массу кратных групп галактик и их скоплений: если движение точки происходит в ограниченной области пространства с ограниченной по модулю скоростью, то кинетическая энергия точки, усредненная по бесконечному интервалу времени равна усредненному по тому же интервалу времени вириалу сил.

Вириалом силы называется функция , круглая скобка означает скалярную произведению векторов.

По второму закону Ньютона

. (8.1)

Умножая обе части скалярно на радиус-вектор , находим:

Усредняя члены по бесконечному интервалу времени, найдем,

Так как и ограничены, то первый член равен нулю, тогда

. (8.2)

Если движение происходить в потенциальном поле, то , подставляя в (8.2) получим:

Если потенциальная энергия является однородной функцией k-ой степени координат, то, используя теорему Эйлера об однородных функциях, получим соотношение между средними значениями кинетической и потенциальной энергий точки:

Для точки, движущейся в гравитационном поле, и

. (8.3)

При этом полная энергия соответствует с тем, что при таком взаимодействии движение происходит в конечной области пространства лишь при отрицательной полной энергии.

Как известно, задача двух тел приводится к задаче о движении пробной частицы в центральном поле, где масса центрального тела равна полной массе системы. Тогда масса системы, , определяется по формуле:

(8.4)

где G - гравитационная постоянная, V - относительная скорость тел, R - взаимное расстояние тел. Соотношение (8.3) справедливо для задачи двух тел, при этом усреднение производится по полному периоду движения.

Для системы из точек теорема о вириале сил выводится из уравнения Ньютона для системы материальных точек

. (8.5)

Умножая обе части каждого из уравнений (8.5) скалярно на и складывая все результаты умножения получим

(8.6)

для потенциальных сил.

Равенство (8.3) выражает вириальную теорему для точки. Для системы частиц вириальная теорема математически выражается формулой (8.6).

Усреднение по времени является достаточно надежным и точным для задачи двух тел, когда наблюдаемые объекты находятся достаточно близко, например, для близких звезд. Периоды вращения двойных звезд можно определить либо визуально по годичному параллаксу (визуально двойные), либо спектрально (спектрально двойные), либо по изменению светимости (затменно-переменные двойные). Время вращения двойных звезд может длиться от доли секунды до нескольких лет, что позволяет произвести наблюдение за их движением. Также является возможным определение внутренних движений ближайших групп звезд, т.е. поперечных составляющих скоростей их компонентов.

Если для близких небесных объектов определение этих величин не составляет особой трудности, то для далеких звезд, галактик, их групп и скоплений определение внутренних движений сейчас не представляется возможным. Поэтому задача определения орбитальной массы системы становится довольно сложной для далеких объектов, когда невозможно измерить внутренние движения системы, так, например, для галактик. В этом случае масса системы может быть оценена приблизительно, изучением радиальных движений соседних галактик или из других косвенных соображений. Например, И.Д.Караченцев /6/ для определения массы двойной галактики применяет формулу

, (8.7)

где - масса Солнца, коэффициент учитывает фактор проекции при равномерно случайной ориентации пары и круговом характере движений компонент.

Для определения массы системы из N тел, когда количество тел в системе достаточно много, например, для известного скопления Кома, где , усреднение производится по числу тел в любой момент времени. А для малых групп гравитирующих тел, когда число компонентов системы лежит в интервале от трех до нескольких десятков, усреднение по числу тел не является достаточным для определения массы системы. В этом случае довольно надежным, вероятно, единственным, методом изучения динамики системы является численный эксперимент.

Лекция. Невидимые массы.

План лекции: Элементарные частицы, претендующие на роль невидимых масс.

Наличие невидимого вещества в скоплениях галактик становится более реальным, тогда как остается неясным вопрос о том, имеется ли в отдельных галактиках «скрытое вещество» или нет, а если имеется, где и каким образом оно распределено.

Ситуация в значительной степени прояснилась, когда Я.Эйнасто и др. привели наблюдательные данные, подтверждающие наличие у галактик массивных корон.

Изучение движения карликовых галактик-спутников некоторых массивных галактик показало, что скорости их обращения остаются постоянными независимо от расстояния от центральной массивной галактики. На самом деле по закону Кеплера скорость должна была убывать обратно пропорционально корню квадратному из расстояния от центральной галактики. Это значит, что кроме видимой массы звезд центральной галактики должны быть другие массы, которые создают гравитационный потенциал, несколько отличающийся от кеплеровского.

Обнаружение плоских кривых вращения за пределами видимого диска (по радионаблюдениям Н I, см. ниже) у многих спиральных галактик явилось еще одним доказательством наличия за оптическими границами галактик больших масс невидимого вещества. Движение нейтрального водорода (на волне 18 и 21 см) показывает, что круговая скорость не зависит от радиуса вплоть до 200-500 кпк. Это означает, что, как и галактики-спутники, нейтральный водород движется в гравитационном поле центральной галактики и невидимой материи («скрытого вещества»), распределенной вокруг массивной центральной галактики.

Приравнивая центробежное ускорение галактики-спутника с ее гравитационным ускорением , находим, что при постоянной линейной скорости вращения спутника полная масса распределенного скрытого вещества нарастает пропорционально радиусу, . Это означает, что его плотность падает обратно пропорционально квадрату радиуса, т.е. по закону .

В 70-е годы прошлого столетия по предложению А.Д.Чернина, такие массивные галактики, образующие гравитационно-связанную систему со своими семействами галактик-спутников, стали называться «гипергалактиками».

Данные о распределении рентгеновской яркости позволили установить наличие массивных корон вокруг некоторых эллиптических и линзовидных галактик.

П. Пиблс и Дж. Острайкер с помощью численного эксперимента показали, что тонкие диски спиральных галактик могут сохранять устойчивость только при наличии вокруг них массивных корон.

Уайт и Шарп, а также Кнап Радиус короны может достигать от 100 до 500 кпк, при этом ее масса увеличивается пропорционально радиусу.

Эти данные в совокупности доказали наличие «скрытой материи» в коронах галактик и полная масса галактики вместе с ее короной может быть в несколько раз (или даже в несколько десятков раз) больше суммарной массы видимых звезд. Возможно, скопления и сверхскопления галактик имеют невидимые короны, подобные коронам галактик, однако содержащие намного больше «скрытого вещества» или скрытое вещество скоплений содержатся только в индивидуальных коронах отдельных галактик.

Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 275; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!