Меню

Что такое критическое значение плотности вещества вселенной

КРИТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ

значение плотности вещества во Вселенной, определяемое выражением где Н постоянная Хаббла (см. Хаббла закон), G — постоянная тяготения Ньютона. В однородных изотропных моделях Вселенной (см. Космологические модели )с равной нулю космологической постоянной величина r с является критич. значением плотности, отделяющим модель замкнутой Вселенной где r — реальная ср. плотность всех видов материи) от модели открытой Вселенной

В случае тяготение материи достаточно велико, оно сильно замедляет расширение Вселенной, и в будущем её расширение должно смениться сжатием. Трёхмерное пространство в рассматриваемых моделях при имеет положит. кривизну, замкнуто, объём его конечен.

При тяготение недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и Вселенная в этих условиях неограниченно расширяется в будущем. Трёхмерное пространство в рассматриваемых моделях имеет отрицат. кривизну, объём его бесконечен (в простейшей топологии).

Постоянная Хаббла H известна из астрономич. наблюдений со значит. неопределённостью: Н (50-100) км/(с*Мпк). Отсюда возникает неопределённость в значении К. п. В. r c = (5*10 -30 -2*10 -29 ) г/см 3 . С др. стороны, наблюдения показывают, что усреднённая плотность вещества входящего в состав галактик, по-видимому, существенно меньше К. п. В. Однако, возможно, во Вселенной имеются труднонаблюдаемые формы материи, т. н. скрытые массы. Кол-во скрытой массы неизвестно, поэтому вопрос о соотношении между полной плотностью материи во Вселенной и К. п. В. остаётся открытым.

Лит. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Пиблс П., Физическая космология, пер. с англ.. М., 1975.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое «КРИТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ» в других словарях:

Критическая плотность Вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование галактик … Википедия

КРИТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ — плотн. в ва во Вселенной, определяющая геом. свойства пространства в космологич. моделях, построенных на основе общей теории относительности. Определяется выражением: р = = ЗН2/(8п(пи)С), где Н постоянная Хаббла, С гравитац. постоянная;… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Критическая плотность (космология) — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Инфляционная модель Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Расширение Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Форма Вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование … Википедия

Крупномасштабная структура Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Возраст Вселенной — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Возраст вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование … Википедия

Читайте также:  Чем отличается понятия вселенная космос метагалактика

Дата возникновения Вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование … Википедия

Источник

КРИТИ́ЧЕСКАЯ ПЛО́ТНОСТЬ ВСЕЛЕ́ННОЙ

  • В книжной версии

    Том 16. Москва, 2010, стр. 66

    Скопировать библиографическую ссылку:

    КРИТИ́ЧЕСКАЯ ПЛО́ТНОСТЬ ВСЕЛЕ́Н­НОЙ, один из осн. па­ра­мет­ров в ре­ше­нии урав­не­ний Фрид­ма­на; зна­че­ние плот­но­сти ве­ще­ст­ва, оп­ре­де­ляе­мое вы­ра­же­ни­ем $ρ_c=3H^2/(8πG)$ , где $H$ – по­сто­ян­ная Хабб­ла, $G$ – гра­ви­тац. по­сто­ян­ная. То­по­ло­гич. свой­ст­ва од­но­род­ной и изо­троп­ной Все­лен­ной с рав­ной ну­лю кос­мо­ло­гич. по­сто­ян­ной за­ви­сят от от­но­ше­ния ср. плот­но­сти Все­лен­ной $ρ$ к К. п. В. Ес­ли $ρ/ρ_c=1$ (ср. плот­ность Все­лен­ной рав­на К. п. В.), то трёх­мер­ное про­стран­ст­во яв­ля­ет­ся евк­ли­до­вым (пло­ским). Ес­ли $ρ/ρ_c (ср. плот­ность Все­лен­ной мень­ше К. п. В.), то трёх­мер­ное про­стран­ство об­ла­да­ет гео­мет­ри­ей Ло­ба­чев­ско­го и ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­ри­ца­тель­ной кри­виз­ной и бес­ко­неч­ным объ­ё­мом. В обо­их слу­ча­ях Все­лен­ная рас­ши­ря­ет­ся бес­ко­неч­но. Ес­ли $ρ/ρ_c>1$ (ср. плот­ность Все­лен­ной боль­ше К. п. В.), то трёх­мер­ное про­стран­ст­во име­ет по­ло­жи­тель­ную кри­виз­ну, яв­ля­ет­ся замк­ну­тым и его объ­ём ог­ра­ни­чен. В та­кой мо­де­ли рас­ши­ряю­щая­ся Все­лен­ная дос­ти­га­ет не­ко­то­ро­го макс. ра­диу­са, а за­тем её рас­ши­ре­ние сме­ня­ет­ся сжа­ти­ем. Ди­на­ми­ка Все­лен­ной, час­тич­но за­пол­нен­ной тём­ной энер­ги­ей (т. е. в слу­чае, ко­гда кос­мо­ло­гич. по­сто­ян­ная не рав­на ну­лю), опи­сы­ва­ет­ся бо­лее ши­ро­ким клас­сом ре­ше­ний. Совр. ис­сле­до­ва­ния по­ка­зы­ва­ют, что зна­че­ние ср. плот­но­сти Все­лен­ной рав­но К. п. В. в пре­де­лах ошиб­ки из­ме­ре­ний.

    Источник

    Что такое критическое значение плотности вещества вселенной

    § 7. Будущее расширяющейся Вселенной. Критическая плотность

    Расширение Вселенной протекает с замедлением, и для будущего есть две возможности.

    Замедление, как мы видели в § 6, пропорционально плотности вещества во Вселенной. С расширением плотность падает, уменьшается замедление. Возможна ситуация, когда при сегодняшней скорости расширения плотность вещества достаточно мала и замедление мало. Тогда расширение будет протекать неограниченно. На рис. 9,а показан такой случай. Расстояние между любой парой галактик неограниченно возрастает.


    Рис. 9. а) Зависимость расстояния между галактиками от времени для плотности вещества во Вселенной меньше критической. Вселенная расширяется неограниченно, б) Такая же зависимость для плотности вещества больше критической Расширение Вселенной сменяется сжатием

    Но возможно, что плотность достаточно велика, а значит, велико замедление расширения. В результате расширение прекращается и сменяется сжатием. Изменение расстояния между галактиками в этом случае показано на рис. 9, б.

    Ситуация здесь полностью аналогична той, когда ракета, разогнанная до определенной скорости, должна покинуть небесное гело. Так, скорость в 12 км /сек достаточна, чтобы покинуть Землю и улететь в космос, ибо эта скорость больше «второй космической» скорости для Земли. Однако эта скорость недостаточна для тою, чтобы покинуть поверхность Юпитера, где «вторая космическая» скорость 61 км/сек. На поверхности Юпитера тело, брошенное со скоростью 12 км /сек вверх, после подъема снова упадет на Юпитер.

    Читайте также:  Две вселенные человека паука

    Рассмотрим теперь галактику А на границе сферы на рис. 2. Скорость, с которой галактика удаляется от центра О, определяется законом Хаббла v = HR. Если эта скорость больше второй космической для шара радиуса R, то галактика будет неограниченно удаляться от О, Вселенная будет неограниченно расширяться (рис. 9, а), если v меньше второй космической, то расширение сменится сжатием (рис. 9, б). Скорость v = HR определена законом Хаббла и какой случай — 9, а или 9, б — будет иметь место, определяется массой шара, т. е. зависит от плотности ρ.

    Итак, для Вселенной при нынешней скорости расширения (сегодняшней постоянной Хаббла 75 км /сек*Мnс) и при малой плотности характерно неограниченное расширение, при большой плотности — расширение, сменяющееся сжатием. Существует критическое значение плотности вещества ρкрит отделяющее один случай от другого.

    Несложно определить это критическое значение плотности. Действительно, известно, что вторая космическая скорость для шара массы М записывается следующим образом:

    Подставляя в (13) выражения для массы , а вместо скорости v = HR, находим

    или, выражая отсюда плотность ρ,

    Итак, критическое значение средней плотности во Вселенной зависит от постоянной Хаббла Н. При постоянной Хаббла Н = 75 км /сек*Мnс для ρкрит получаем

    Мы видим, что от величины фактической средней плотности всех видов материи во Вселенной зависит будущая история Вселенной.

    Мы уже упоминали кратко в § 6, что для вещества, входящего в галактики, устредненная плотность составляет около ρгал = 3*10 -31 г /см 3 , т. е. много меньше критического значения ρкрит. Но, возможно, имеется много трудно наблюдаемого вещества между галактиками. Вопрос этот чрезвычайно важен. В следующих параграфах мы несколько ближе познакомимся с основными структурными единицами Вселенной — галактиками и их скоплениями, — и с проблемой межгалактической материи.

    Источник

    Критическая плотность вещества во Вселенной

    Из теории Фридмана следует, что возможны различ­ные сценарии эволюции Вселенной: неограниченное расши­рение, чередование сжатий и расширений и даже тривиаль­ное стационарное состояние. Какой из этих сценариев реа­лизуется, зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каж­дом этапе эволюции. Для того чтобы оценить значения этих плотностей, рассмотрим сначала, как астрофизики пред­ставляют себе структуру Вселенной.

    В настоящее время считается, что материя во Вселен­ной существует в трех формах: видимая материя (4%), «темная» материя (23%) и так называемая «темная» энергия (73%), свя­занная с антигравитирующим физическим вакуумом. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, ко­торых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактики составляет 15 ки­лопарсек (1 парсек = 30,8 • 10 15 м = 3,3 световых года). Предполагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных галак­тик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако, если рассматривать Вселенную в очень большом масштабе, на­пример «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превышающим 300 мегапарсек, то неравномерность струк­туры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однород­ной и изотропной. Вот для такого равномерного распреде­ления видимого вещества можно рассчитать плотность рв, которая составляет величину примерно 3 × 10 -28 кг/м 3 .

    Читайте также:  Фоновое излучение вселенной это

    Оценка плотности «темной» материи и «темной» энер­гии рт дает значение, примерно в 100 раз больше, чем рв. Как будет видно из дальнейшего, именно эта плотность является, в конечном счете, «ответственной» за тот или иной «сценарий» эволюции Вселенной.

    Чтобы убедиться в этом, оценим критическую плот­ностьвещества, начиная с которой «пульсирующий» сце­нарий эволюции сменяется «монотонным». Такую оцен­ку, хотя и достаточно грубую, можно произвести на осно­вании классической механики, без привлечения общей теории относительности. Из современной астрофизики нам потребуется только закон Хаббла.

    Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу m, которая находится на расстоянии Lот «наблюда­теля». Энергия Е этой галактики складывает­ся из кинетической энергии Т = mv 2 /2 = mH 2 L 2 /2и потенциальной энергии U = -GMm/L, которая связана с грави­тационным взаимодействием галактики mс веществом массы М, находящимся внутри шара радиуса L(можно показать, что вещество, находящееся вне шара, не вносит вклада в потенциальную энергию). Выразив массу Мче­рез плотность р, М = 4πL 3 p/3и учитывая закон Хаббла, запишем выражение для энергии галактики:

    Из этого выражения видно, что в зависимости от значения плотности р энергия Е может быть либо положительной (Е > 0), либо отрицательной (Е 2 /8πG (1.4)

    Подставив в это выражение известные значения Н= = 15 (км/с)/10 6 световых лет и G = 6,67х 10 -11 м 3 /кг-с 2 , получаем значение критической плотности рк = 10 -26 кг/м 3 . Таким образом, если бы Вселенная состояла только из обычного «видимого» вещества с плотностью рв = 3х 10 -28 кг/м 3 , то ее будущее было бы связано с неограниченным расширением. Однако, как было сказано выше, наличие «темной» материи и «темной» энергии с плотностью рт > рв может привести к пульсирующей эволюции Вселенной, когда период расширения сменяется периодом сжатия (коллапсом). Правда, в последнее время ученые все боль­ше приходят к мысли, что плотность всей материи во Все­ленной в точности равна критической. Почему это так? На этот вопрос ответа пока нет.

    Источник