Mørk materie og mørk energi i universet. 3. Universet i fortiden

Mørk stof og mørk energi i universet

Valery Anatolyevich Rubakov,
Institut for Kerneforskning, RAS, Moskva, Rusland

Præsentation af forelæsningen (pdf, 2 Mb)

Download video (AVI): Del 1 (180 MB), Del 2 (210 MB), Del 3 (250 MB)

  • 1. Introduktion
  • 2. Udvidende univers
  • 3. Universet i fortiden
  • 4. Energibalance i det moderne univers
  • 5. Mørk stof
  • 6. Mørk energi
  • 7. Konklusion

3. Universet i fortiden

Lad os diskutere to faser af universets evolution, om hvilke pålidelige observationsdata der er tilgængelige i dag. En af dem, en forholdsvis nylig, er et stadium i overgangen af ​​materie i universet fra en plasmastat til en gasformig tilstand. Det skete ved en temperatur på 3000 grader, og universets alder var på det tidspunkt 300 tusind år (en smule i forhold til de nuværende 14 milliarder år). Før det flyttede elektroner og protoner adskilt fra hinanden, stoffet var et plasma. Ved en temperatur på 3000 grader fusionerede elektroner og protoner i hydrogenatomer, og universet blev fyldt med denne gas. Det er vigtigt, at plasmaet er uigennemsigtigt for elektromagnetisk stråling; Fotoner udsendes hele tiden, absorberes, spredt af plasmaelektroner. Gas er tværtimod gennemsigtig.Så den elektromagnetiske stråling, der kom til os med en temperatur på 2,7 grader, rejste frit i universet fra det øjeblik, hvor plasma-gasovergangen blev afkølet (rødmet) siden da ved 1.100 gange på grund af universets ekspansion. Denne relikse elektromagnetiske stråling bevarede information om universets tilstand på tidspunktet for plasma-gasovergangen; med det har vi et billede (bogstaveligt!!) af universet i en alder af 300 tusinde år, da dets temperatur var 3000 grader.

Måling af temperaturen af ​​denne relik elektromagnetiske stråling, der kom til os fra forskellige retninger På himlen finder vi ud af, hvilke områder var varmere eller koldere (og derfor tættere eller tyndere) end gennemsnittet i universet, og vigtigst af alt, hvor meget varmere eller koldere de var. Resultatet af disse målinger er, at universet i en alder af 300 tusinde år var meget mere homogent end i dag: variationerne i temperatur og densitet var så mindre end 10-4 (0,01%) af middelværdien. Imidlertid eksisterede disse variationer: Fra forskellige retninger kommer elektromagnetisk stråling fra lidt forskellige temperaturer. Dette er vist i fig. 3, som viser temperaturfordelingen langsden himmelske sfære (et fotografi af det tidlige univers) minus gennemsnits temperaturen på 2.725 grader Kelvin; koldere områder vises i blå, varmere områder i rødt4.

Fotografiet vist på Fig. 3, førte til flere vigtige og uventede konklusioner. For det første fik han lov til at fastslå, at vores tredimensionale rum med en god grad af nøjagtighed er euklidisk: summen af ​​en trekants vinkler er 180 grader selv for trekanter med sider, hvis længder er sammenlignelige med størrelsen af ​​den synlige del af universet, dvs. sammenlignelig med 14 mia. Lys år. Generelt antager den generelle relativitetsteori, at rummet måske ikke er euklidisk, men buet; Observationsdata viser, at dette ikke er tilfældet (i hvert fald for vores univers i Universet). Metoden til måling af "summen af ​​en trekants vinkler" på kosmologiske afstandskalaer er som følger. Det er muligt pålideligt at beregne den karakteristiske rumlige størrelse af områder, hvor temperaturen afviger fra gennemsnittet: på tidspunktet for overgangen plasma-gas bestemmes denne størrelse af universets alder, det vil sige proportional med 300 tusind lysår. Den observerede vinkelstørrelse af disse regioner afhænger af geometrien af ​​det tredimensionale rum, hvilket gør det muligt at fastslå, at denne geometri er euklidisk.

I tilfælde af den tredimensionale rums euklidiske geometri forbinder den generelle relativitetsteori entydigt universets ekspansionshastighed med det samlede tæthed af alle former for energisåvel som i den newtonske teori om hastigheden af ​​jordens rotation omkring solen bestemmes af solens masse. Den målte ekspansionshastighed svarer til den samlede energitæthed i det moderne univers.

Med hensyn til massetæthed (da energi er relateret til masse ved E = mc2) dette nummer er

Hvis energien i universet helt blev bestemt af resten energi af almindeligt materiale, ville der i gennemsnit være 5 protoner i en kubikmeter i universet. Vi vil imidlertid se, at almindeligt materiale i universet er meget mindre.

For det andet, fra billedet Fig. 3 du kan indstille hvad der var værdi (Amplitude) inhomogeniteter temperatur og tæthed i det tidlige univers – det var 10-4-10-5 fra gennemsnit. Det var fra disse densitetshomogeniteter, at galakser og klynger af galakser opstod: regioner med højere densitet tiltrukket omgivende stof til sig selv på grund af tyngdekraften, blev endnu mere tætte og til sidst dannede galakser.

Da initialtæthedshomogenogeniteterne er kendte, kan processen for dannelse af galakser beregnes, og resultatet kan sammenlignes med den observerede fordeling af galakser i universet. Denne beregning er kun i overensstemmelse med observationer, hvis det antages, at der udover det almindelige stof er en anden slags materiel i universet: mørkt stof, hvis bidrag til den samlede energitæthed i dag er ca. 25%.

Fig. 4

En anden fase i universums evolution svarer til endnu tidligere tider, fra 1 til 200 sekunder (!) Fra Big Bangs øjeblik, da universets temperatur nåede milliarder grader. På dette tidspunkt opstod termonukleare reaktioner i universet, svarende til reaktioner der forekommer i Solens centrum eller i en termonukleær bombe. Som et resultat af disse reaktioner blev en del af protonerne forbundet med neutroner og dannet lette kerner – helium-, deuterium- og lithium-7-kerner. Antallet af dannede lyskerner kan beregnes, idet den eneste ukendte parameter er antallet af protoner i universet (sidstnævnte falder selvfølgelig som følge af universets ekspansion, men dets værdier på forskellige tidspunkter er simpelthen forbundet med hinanden).

Sammenligning af denne beregning med det observerede antal lyselementer i universet er angivet i Fig. 4: Linjer repræsenterer resultaterne af en teoretisk beregning afhængigt af en enkelt parameter – tætheden af ​​et almindeligt stof (baryoner) og rektangler – observationsdata. Det er bemærkelsesværdigt, at der er enighed om alle tre lyskerner (helium-4, deuterium og lithium-7); Der er enighed med data om baggrundsstråling (vist ved en lodret bjælke i figur 4, angivet af MW – Cosmic Microwave Background). Denne aftale indikerer, at den generelle relativitetsteori og de kendte fysikers kendte love korrekt beskriver universet i en alder af 1-200 sekunder, da sagen i den havde en temperatur på en milliard grader og mere. Det er vigtigt for os, at alle disse data fører til den konklusion, at massetætheden af ​​almindeligt materiale i det moderne univers er

det vil sige, at almindeligt materiale kun udgør 5% af den samlede energitæthed i universet.


4 Observationer fra satellit WMAP.


Like this post? Please share to your friends:
Mørk stof og mørk energi i universet ">
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: