Межгалактический газ

Как мы уже обсудили, Вселенная эволюционировала от однородного состояния (красное смещение z~1100, что позволяет вычислить время в данной космологической модели) до нынешних сложных структур вроде галактик, кластеров и сверхскоплений.

Напоминаю, что z - это параметр красного смещения: длины волн увеличились в (1+z) раз. Так повелось, когда z было меньше единицы. На космологических масштабах больше, но традиция использовать z осталась. В принципе, какая разница. Самые отдаленные наблюдаемые объекты имеют z что-то около 7 или 8.

Межгалактический газ — это вещество, барионное, то есть из обычных атомов и не сколлапсировавшее в плотные объекты вроде звезд, галактик, черных дыр. Даже сейчас большая часть массы вещества приходится на него: очень уж много пустого пространства между галактиками, даже при очень низкой плотности получается большая доля.

Как мы это узнали (что на межгалактический газ приходится львиная доля массы обычного барионного вещества)? Анализ реликтового излучения и химического состава Вселенной показал, что доля барионной материи составляет около 4%. А наблюдения галактик поблизости от нашей дали функцию светимости в различных диапазонах. По светимости можно оценить массу галактики. Получается, что масса звезд дает вклад около 0.27%, то есть только около 6% от барионной материи приходится на звезды.

Даже если бы массу звезд определили неверно, ну, в десять раз ошиблись... все равно не сходится.

Планеты ничего не добавляют вообще, межзвездный газ — никак не более одной трети. Так что большая часть материи по-прежнему между галактиками в виде очень разреженного газа.

Этот газ не светится, поэтому его не видно. Однако он влияет на проходящий через него свет. Свет от квазаров, яркий и проходящий огромные расстояния, поглощается и переизлучается встреченными на пути атомами, и несет информацию и об испустившем его объекте, и о газе на своем пути.

Спектр излучения отдаленного квазара несет информацию о газе в виде набора линий поглощения. Мы видим линии водорода, углерода, кремния и железа. Эти линии расположены "как надо", но смещены вправо, в сторону более длинных волн.

Разобраться в этом сложно, но можно. Излучение квазара известно: это степенной закон и наложенные на него линии излучения. Если линий излучения больше одной, то можно решить уравнение и извлечь красное смещение z, играющее роль расстояния (или времени). На втором рисунке пик пришелся на 5622 ангстрема, а в лаборатории линия водорода 1216, то есть красное смещение z равно 3.625. Фотоны испущены 12 миллиардов лет назад, 87% времени жизни Вселенной назад.

Линии правее (рисунок №2) отвечают прочим химическим элементам и называются металлическими. А вот "лес" слева обусловлен разреженным газом, плотность которого слишком низка, чтобы создавать металлические линии. Это смесь излучений по всей шкале красных смещений, поэтому такая однородная.

Информацию позволяет извлечь компьютерное моделирование. Схема действий такая:

1. Берем параметры космологической модели: постоянную Хаббла, долю материи, барионной материи, космологическую постоянную, глобальную кривизну и т.п.
2. Возьмем распределение флуктуаций реликтового излучения.
3. Начнем с большого красного смещения (давно) и распределим частицы равномерно.
4. Возмутим равномерное распределение, наложив на него выбранное распределение флуктуаций.
5. Численно решим задачу многих тел: вычислим потенциал по всем частицам, затем ускорение каждой частицы, затем скорость и, наконец, новое положение. Повторим шаг многократно, продвигаясь вперед во времени. В итоге получится сеть из округлых войдов и туннелей, разделенных стенами и нитями из галактик.
6. Наложите ионизирующее излучение от квазаров и галактик и вычислите "лес".

Попутно вы можете посмотреть влияние различных параметров модели на результат.

Результат моделирования. Ребро кубика примерно 36 Мпс, полмиллиарда точек. На рисунке весь газ при z=3 (а стартовали с почти равномерного распределения!).

Текст пересказан и рисунки взяты из Лекций по космологии, M. Pettini, лекция 11.

Продолжение будет.