Откуда нам известны характеристики Вселенной? Что она однородная, например, и что плоская (с нулевой кривизной), и доля обычной материи, излучения, темной материи и космологической постоянной. Откуда мы это можем узнать (а не предположить)?
Один из источников информации — реликтовое излучение, известное также как CMB (cosmic microwave background, космический микроволновый фон).
Его удалось очень точно измерить по всему небу, причем из космоса, без влияния атмосферы Земли. Оно очень однородно, что уже интересно, но при этом небольшие отклонения от среднего имеются.
Можно вычислить относительные отклонения от среднего для данного направления: δT/T, зависящее от пары координат (долготы и широты). Выберем некоторый угол и найдем корреляцию по всем парам точек, разделенным таким углом. Получится корреляционная функция, зависящая от угла.
Она показывает статистическую связь температуры излучения в разных точках небесной сферы. Если вариации температуры случайны, то будет около нуля. Если, скажем, есть симметрия, получится для каких-то углов почти единица.
Эту корреляцию разложим в ряд по какому-нибудь базису (берут полиномы Лежандра) и получают набор коэффициентов. Они показывают величину относительного отклонения температуры на масштабе 180/L, где L — номер коэффициента. Коэффициент с номером 0 должен быть равен нулю, потому что сумма всех отклонений от среднего равна нулю. Это проверка правильности расчетов.
Коэффициент при L=1 показывает движение Земли относительно реликтового фона. С одной стороны оно смещено в синюю сторону (меньшая длина волны, выше энергия, то есть теплее), с другой — в красную (холоднее). Это позволяет, для начала, узнать "абсолютное" движение Земли.
Да, мы можем выбрать космологическую систему отсчета, в которой есть состояние покоя относительно Вселенной. Но это не противоречит принципу относительности, потому что это покой относительно реликтового фона.
Так мы выяснили, что Земля движется со скоростью 369 км/с в сторону точки на границе созвездий Чаши и Льва.
Еще можно оценить полное притяжение всех ближайших (до 200 мегапарсек) галактик, зная их координаты на небесной сфере и их красные смещения. Оно позволяет оценить движение Земли, и оценка эта в хорошем согласии с результатом по реликтовому излучению.
Старшие коэффициенты несут информацию уже о параметрах Вселенной. Но не в так, что вот второй, третий... все сразу. Если их нарисовать на графике, получится некоторая волнистая кривая. Ее можно попробовать аппроксимировать космологической моделью, и если получится, то это сильное свидетельство в пользу модели. А получается, как видите, очень хорошо!
На самом деле, коэффициенты с малыми номерами не несут много информации, потому что это корреляции для пар точек,разделенных большими углами: 90, 45 и т.п. Их сравнительно мало, таких пар.
Явный пик на масштабе 1 градус означает сравнительно сильную корреляцию температуры точек, разделенных углом около 1 градуса. И совершенно ясно, что такая волнистая форма говорит о каких-то угасающих колебаниях... И это действительно так.
До рекомбинации, когда ядра атомов объединились с электронами и Вселенная стала прозрачной, излучение по Вселенной не распространялось. Как только рекомбинация произошла (Вселенная достаточно остыла в ходе расширения), фотоны стали свободно двигаться, и вот их-то мы и регистрируем. Далее, первичная плазма сжималась гравитацией и в ней имело место давление, и распространялись волны, аналогичные звуковым. Фотоны, испущенные из чуть более плотных и потому горячих областей, имели чуть более высокую частоту, чем в среднем; а из менее плотных — менее высокую.
Первый пик соответствует областям, сжавшимся один раз; второй — сжившимся и разжавшихся; третий — сжавшимся дважды, и так далее. Они похожи и потому коррелируют. Отсюда и пики.
Мы можем взять решения типа Фридмана и вычислить, какой угол на небе занимает радиус горизонта на момент рекомбинации. Вместо скорости света в вакууме придется использовать скорость звука, которую можно выразить через связь плотности и давления, и она равна трети скорости света. Получается, при каких-то параметрах, довольно точно 1 градус. Именно это и дают наблюдения.
Конечно, это только один факт. Можно рассчитать все пики, и все они согласуются весьма хорошо, что и показывает график.
А кроме того, анализ сверхновых, о котором мы уже говорили, дает свою доверительную область параметров. Причем области не совпадают полностью. Их пересечение и позволяет очень уверенно сказать, что:
- Вклад кривизны отсутствует, Вселенная плоская;
- Основной вклад в плотность (70-75%) дает космологическая постоянная;
- Доля барионной материи составляет всего около 4-5%, а 95-96% это что-то другое, что обычно называют темной материей. Ну и совсем немного есть нейтрино, фотонов и прочего знакомого нам.
- Вся материя, и барионная, и темная, составляет всего около 25-30% плотности Вселенной.
Так, влияние барионной материи на старшие пики заметно, а на младшие, в основном, влияет темная. Гравитация барионов делает осцилляции несимметричными и снижает их частоту. Это видно на пиках. В частности, осцилляции убывают быстрее, если барионной материи больше. Все это тоже согласуется с результатами, полученными иными методами, например, по химическому составу межзвездного газа: доля дейтерия тоже дает информацию об эпохе рекомбинации.
Космологические параметры влияют на реликтовое излучение очень запутанно, что хорошо, потому что позволяет перекрестно проверять согласованность модели. Эта работа проделана очень тщательно: сбор данных, расчеты, сравнение. См. рисунок 10.10 в Лекциях по космологии: там в таблицах приведены параметры и оценки их точности. Это впечатляет.
Я вам только сливочки пересказал. Подробнее см. Лекции по космологии.
Отличные каналы коллег, которые сердечно рекомендую.
А вот подборка только научно-популярных каналов.
Оглавление этой рубрики и Путеводитель по моему каналу
