Модель вселенной которая соответствует большей средней плотности вещества во вселенной модель

§ 9. Средняя плотность вещества во Вселенной и проблема «скрытой» массы

Вернемся теперь к проблеме средней плотности вещества во Вселенной. Как уже отмечалось, сравнительно несложно учесть «легко наблюдаемое вещество», т. е. вещество, входящее в видимые галактики. Достаточно надежное определение этой величины было сделано в 1958 г. голландским астрономом Оортом. Практическое определение усредненной плотности вещества, входящего в галактики, производится в два приема.

Прежде всего подсчитывается число галактик разных светимостей, приходящихся на единицу объема, и вычисляется средняя светимость единицы объема Вселенной. Согласно Оорту она оказывается равной

Здесь , обозначает светимость Солнца, равную = 4*10 33 эрг /_сек.

После этого для всех типов галактик вычисляется отношение их массы М к светимости L. Так, для эллиптических галактик отношение раз превышает отношение массы Солнца к его светимости .Для спиральных галактик это отношение M /_L меняется от нескольких единиц до примерно 20 . С учетом процентного содержания разных типов галактик среднее значение M /_L оказывается равным

Произведение (16) и (17) дают усредненную плотность вещества, входящего в галактики,

Эта величина заметно меньше критической плотности (16). Их отношение, обозначаемое обычно буквой Ω, равно

Если во Вселенной нет заметных количеств другой материи, усредненная плотность которой много больше ρ_гал, то Вселенная всегда будет расширяться.

Однако есть серьезные основания подозревать, что в пространстве между галактиками может быть много трудно наблюдаемых форм материи, получивших название «скрытой массы».

Одним из поводов для такого подозрения являются результаты измерений масс скоплений галактик. Измерения проводятся следующим образом.

Правильные скопления имеют симметричную форму, плотность галактик в них плавно спадает от центра к краю и поэтому есть все основания считать, что скопления находятся в равновесном состоянии, когда кинетическая энергия движений галактик уравновешена силой взаимного тяготения всех масс, входящих в скопление.

В этом случае справедлива теорема вириала, утверждающая, что кинетическая энергия всех членов скопления равна по абсолютной величине половине потенциальной энергии тяготения масс скопления (включая, конечно, и невидимые массы). Эта теорема позволяет вычислить полную массу скопления, если известны относительные скорости галактик в скоплении и размер скопления. Относительная скорость галактик в скоплении вычисляется по разности их красных смещений, а размер определяется по угловому размеру скопления на небе и расстоянию от нас. Такое определение, выполненное для уже упоминавшегося нами скопления Coma, приводит к массе порядка 2*10 15 M, что соответствует отношению масса — светимость M /_L для всего скопления (по данным Эйбла)

Полученное отношение во много раз больше, чем M /_L, даже для эллиптических галактик, у которых M /_L наибольшее (сейчас данные пересматриваются). Если эти выводы правильны, то масса скопления много больше суммы масс галактик, в нее входящих. Такие же результаты получаются при рассмотрении других скоплений и групп галактик. Так возникла проблема «скрытой массы». Сразу же оговоримся, что проблема определения массы скоплений с помощью теоремы вириала — сложная задача и здесь возможны ошибки. Основной источник ошибок связан с тем, что скорости галактик измеряются с погрешностями, а это ведет к завышению дисперсии скоростей и, следовательно, к завышению массы скопления. Кроме того, возможна случайная проекция «чужих» галактик на скопление. Учет их также ведет к завышению массы. Однако тщательный анализ показывает, что «свалить» всю вину за получение парадоксально большой массы в скоплениях на подобные ошибки крайне трудно. Полученные выводы заставляют со всей серьезностью отнестись к поискам «скрытой массы», причем не только в скоплениях галактик, но и между скоплениями. В какой форме может существовать скрытая масса? Может быть, это межгалактический газ? * . Ведь объем пространства между галактиками гораздо больше объема пространства, приходящегося на галактики. Поэтому межгалактический газ, концентрация которого хотя и много меньше, чем у газа внутри галактик, может в результате все же давать гигантские массы.

* ( Анализом наблюдений, связанным с поисками межгалактического газа, занимались многие астрофизики. Мы отметим здесь работы советских ученых В. Л. Гинзбурга, Я. Б. Зельдовича, И. С. Шкловского, А. Г. Дорошкевича, В. Г. Курта, Л. М. Озерного, Р. А. Сюняева и др.)

Прежде всего напомним, что газ во Вселенной в основном состоит из водорода. Следовательно, чтобы установить наличие газа в межгалактическом пространстве, в первую очередь надо искать водород. В зависимости от физических условий газ может быть в нейтральном и ионизованном состояниях.

Начнем с оценки возможного количества нейтрального водорода.

Если свет от далекого источника идет через газ с нейтральными атомами водорода, то происходит поглощение (говоря точнее, резонансное рассеяние) излучения атомами в спектральной линии L_α с длиной волны λ = 1215 Å. Это ведет к ослаблению света от источника на данной длине волны. В качестве источников используются далекие квазары. Атомы водорода расположены на всем огромном пути от квазара и имеют поэтому разную скорость удаления от нас вследствие расширения Вселенной по закону Хаббла (v = HR). Разные скорости поглощающих атомов ведут к тому, что из-за эффекта Доплера линия поглощения в спектре растягивается в полосу. Тщательные поиски этого эффекта в спектрах квазаров с z > 2 не привели к успеху, полосы поглощения не обнаружено. Отсюда делается вывод, что средняя плотность числа нейтральных атомов в межгалактическом газе ничтожна: n_HI -11 см 3 , а соответствующая плотность вещества

Аналогичные соображений применимы и для молекулярного водорода (поглощение в лаймановской полосе молекулярного водорода). Наблюдения приводят к выводу, что и плотность молекулярного водорода в межгалактическом газе пренебрежимо мала.

Таким образом, межгалактический газ, если он и есть, должен быть ионизованным, а значит, и сильно нагретым. Как показывает анализ, для этого необходимы температуры больше миллиона градусов. Не следует удивляться, что несмотря на такую температуру этот газ практически невидим. Дело в том, что плотность его очень мала, газ прозрачен, излучает мало видимого света. Но все же эта ионизованная высокотемпературная плазма испускает достаточно много ультрафиолетового излучения и мягких рентгеновских лучей.

Горячий газ можно искать по ультрафиолетовому излучению. Однако этот метод оказался не очень чувствительным.

Интересный метод был предложен советским астрофизиком Р. А. Сюняевым. Он основан на следующих соображениях. Ультрафиолетовый поток излучения от горячего межгалактического газа должен ионизовать водород на периферии галактик. Но радиоастрономические способы наблюдений позволили обнаружить нейтральный водород на окраинах нашей и других галактик. Расчет показывает, что если бы плотность горячего межгалактического газа равнялась критической ρ_{H И} = 10 -29 г /_{см 3} , то поток ультрафиолетового излучения от него полностью бы ионизовал водород на периферии галактик, в противоречии с наблюдениями. Следовательно,

Эта величина много больше ргал. Таким образом, к сожалению, рассматриваемый метод все же недостаточно чувствителен, чтобы исключить возможность существования большого количества горячего межгалактического газа. Вопрос о количестве такого газа, о том, больше ли его усредненная плотность, чем усредненная плотность вещества, входящего в галактики, остается открытым.

Обратимся теперь к газу в скоплениях галактик. Радионаблюдения показывают, что нейтрального водорода в скоплениях ничтожно мало. Однако с помощью рентгеновских телескопов, установленных на спутниках, был обнаружен горячий ионизованный газ в богатых скоплениях галактик. Оказалось, что этот газ нагрет до Т ≈ 10 8 К. Его полная масса может доходить до 10 13 М. Цифра внушительная, но мы видели выше, что полная масса скопления Coma, определенная по теореме вириала, гораздо больше — превышает 10 15 M д. Таким образом, наличие горячего газа в скоплениях никак не исчерпывает проблемы скрытой массы.

Несколько лет назад у этой пресловутой проблемы выявился еще один аспект.

В последнее время появляется все больше сторонников идеи о том, что галактики могут быть окружены огромными массивными коронами слабо светящихся объектов, которые по их свечению обнаружить крайне трудно. Это могут быть, например, звезды низкой светимости. Масса этих звезд в коронах не влияет заметно на динамику внутренних частей галактик * , которые хорошо наблюдаются, и поэтому наблюдения этих внутренних частей дают только их массу и ничего не говорят о массах корон. Но масса короны должна влиять на движение карликовых галактик — спутников основной галактики. Именно по этому влиянию и пытаются обнаружить в настоящее время короны галактик. Возможно, что учет этих корон существенно изменит оценку масс галактик в скоплениях и решит проблему «скрытой массы». Однако в настоящее время вопрос о коронах галактик еще не решен.

* ( Вспомним, что сферическая оболочка не создает гравитационного поля во внутренней полости (см. § 2 гл. 1).)

Нам остается еще разобрать вопрос об экзотических кандидатах на роль скрытой массы, таких как космические лучи, нейтрино, гравитационные волны, а также и другие виды физической материи.

Наблюдения показывают, что плотность массы, соответствующая космическим лучам, не более 10 -35 г /_{см 3} , т. е. очень мала.

Что касается нейтрино и гравитационных волн, то тут дело обстоит сложнее. Взаимодействие этих видов физической материи с обычным веществом крайне слабое и поэтому, если бы Вселенная была заполнена нейтрино или гравитационными волнами с плотностью массы (соответствующей плотности энергии по формуле Эйнштейна е = ρс 2 ) даже больше ρ_крит, то все равно прямые физические методы не позволили бы их обнаружить. Есть косвенные соображения о малой вероятности большого количества этих экзотических форм материи. С некоторыми соображениями мы познакомимся в дальнейшем.

Итак, подытоживая сказанное, мы видим, что вопрос о среднем значении плотности вещества р во Вселенной пока не решен. В § 4 гл. 2 мы еще раз вернемся к этому вопросу и рассмотрим способ определения ρ, не зависящий от конкретной природы физической материи, а использующий тот факт, что любая масса создает поле тяготения. Правда, и этот универсальный метод не привел пока к успеху.

Здесь же в заключение приведем мнение большинства специалистов о наиболее вероятном значении средней плотности всех видов материи во Вселенной, полученном на основе всех способов наблюдений.

Это наиболее вероятное значение есть

Истина в науке не устанавливается подсчетом большинства голосов специалистов, но читателю полезно знать, что по мнению этих самых специалистов плотность материи во Вселенной не превышает критического значения и Вселенной предстоит неограниченное расширение.

Источник

Концепции современного естествознания. Блок 3. Основные принципы и идеи современной физики

Поможем успешно пройти тест. Знакомы с особенностями сдачи тестов онлайн в Системах дистанционного обучения (СДО) более 50 ВУЗов. При необходимости проходим систему идентификации, прокторинга, а также можем подключиться к вашему компьютеру удаленно, если ваш вуз требует видеофиксацию во время тестирования.

Закажите решение за 470 рублей и тест онлайн будет сдан успешно.

1. Уравнения общей теории относительности для описания Вселенной впервые применил …
Хаббл
Планк
Фридман
Максвелл
Эйнштейн

2. Соответствие
Ньютон — завершил создание классической физики
Резерфорд — создатель «планетарной» модели атома
Бор — создатель модели атома, связанной с квантовыми представлениями
Миньковский — предложил понятие пространственно-временного континуума

3. Явления, с которыми связаны законы сохранения
зависимость энергии и массы
постоянство скорости света
расширение Вселенной
симметрия физического устройства мира

4. «Антропный принцип» утверждает, что …
только разум человека способен познать устройство Вселенной
человек может менять течение физических процессов
существует множество миров, в которых существует разумный человек
соотношения физических величин во Вселенной таковы, что только при этих соотношениях мог появиться и выжить человек

5. Хронологическая последовательность событий
1. Создание классической физики
2. Опыт по определению зависимости скорости света от скорости движения системы
3. Создание специальной теории относительности
4. Предположение о волновом характере движения микрочастиц
5. Открытие «красного смещения» спектра излучения галактик
6. Создание управляемой цепной реакции ядерного деления

6. Соответствие теории и формулировки
Законы физики инвариантны по отношению к преобразованиям Лоренца –
специальная теория относительности
Законы физики инвариантны по отношению к преобразованиям Галилея –
классическая физика
Никакими физическими экспериментами внутри системы нельзя определить, находится она в состоянии покоя при отсутствии силы тяготения или движется с ускорением свободного падения в поле тяготения –
общая теория относительности

7. Соответствие видов взаимодействий с их характеристиками
сильное – короткодействующее; передающее большую величину энергии; передающееся виртуальными глюоны
слабое – обусловливает процессы распада некоторых легких элементарных частиц
гравитационное – действует на любом расстоянии; наиболее слабое в микромире
электромагнитное — действует на любом расстоянии; передающееся виртуальными фотонами; величина энергии сильно уменьшается с увеличением расстояния

8. Инвариантность – это …
сохранение какой-то величины при изменении другой
сохранение определенной формы соотношения между величинами при определенных преобразованиях
неизменность некоторой величины по отношению к определенным преобразованиям
развитие физических процессов и отражение их в человеческом сознании

9. Процесс расширения Вселенной («Большой взрыв») начался … лет назад.
34 млрд.
1 млрд.
400 млн.
1,5 млн.
17 млрд.
40 млн.

10. Физическая симметрия – это …
развитие физических процессов и отражение их в человеческом сознании
двойственность всех физических явлений
сохранение значения какой-то физической величины при определенных преобразованиях координат
неизменность определенных физических свойств системы при некоторых преобразованиях

11. Соответствие между физическими величинами и названиями связывающих их соотношений
преобразования Лоренца – пространственные и временные координаты, скорость света в вакууме
уравнение Планка – частота колебаний, энергия кванта
закон Хаббла – скорость удаления звезды от Земли, расстояние до звезды
преобразования Галилея – пространственные и временные координаты
уравнения де Бройля – частота колебаний, импульс, длина волны

12. Модель Вселенной, которая соответствует большей средней плотности вещества во Вселенной – модель …
модель замкнутой стационарной Вселенной
модель незамкнутой, бесконечной, бесконечно расширяющейся Вселенной
модель замкнутой, конечной, осциллирующей Вселенной
модель стационарной бесконечной Вселенной

13. Соответствие физических объектов, явлений и физических характеристик и величин, теоретических положений и принципов
Фотон – Масса покоя, равная нулю
Черная дыра – Замкнутость потоков излучения
Элементарная частица – Спин
Атом – Химические свойства

14. Соответствие экспериментов, идей, достижений и формулировки и их авторов
Первые эксперименты по изучению электромагнитного излучения «абсолютно черного тела» — Майкельсон, Морли
Принцип дополнительности — Бор
Составление уравнений для описания электромагнитного поля — Максвелл
Автор математических уравнений, характеризующих изменение метрических характеристик пространства-времени и положенных в основу специальной теории относительности — Лоренц
Создатель специальной теории относительности — Эйнштейн
Первый эксперимент по определению зависимости скорости света от скорости движения системы – Планк

15. Соответствие теорий физики и теоретических положений
инвариантность скорости света в любых системах отсчета – специальная теория относительности, общая теория относительности
принцип эквивалентности – общая теория относительности
инвариантность пространственно-временного интервала в любых системах отсчета — специальная теория относительности
порционность энергии электромагнитного излучения – квантовая теория
принцип относительности Галилея – классическая механика (физика)

16. Впервые сделал вывод о нестационарности решения уравнений общей теории относительности для Вселенной …
Н.Бор
А.Эйнштейн
Э.Хаббл
А.Фридман
Л. де Бройль

17. Физические явления, которые подтверждают процесс расширения Вселенной
существование «реликтового излучения» во Вселенной
существование «черных дыр»
линейчатый спектр в излучениях звезд
«красное смещение» в спектрах звезд
искривление «пространства времени» во Вселенной
характер электромагнитного излучения

18. Уравнение Л. де Бройля устанавливает соотношение …
импульса частицы и соответствующей ей длины волны
пространственных и временных координат, скорости света в вакууме
пространственных и временных координат

19. Античастица электрона – это …
антиэлектрон
протон
позитрон
электронное нейтрино

20. Утверждение «Никакими физическими экспериментами внутри системы нельзя определить, находится она в состоянии покоя при отсутствии силы тяготения или движется с ускорением свободного падения в поле тяготения» относится к …
общей теории относительности
специальной теории относительности
классической физике
квантовой электродинамике

21. Фундаментальное взаимодействие, обеспечивающее связь атомов в молекулах
сильное ядерное
слабое ядерное
электромагнитное
гравитационное

22. Положение об инвариантности пространственно-временного интервала в любых системах отсчета относится к …
специальной теория относительности
квантовой теории
классической физике

23. Открытие Э.Хабблом закономерности связи между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них является эмпирическим подтверждением модели …
расширяющейся Вселенной
пульсирующей Вселенной
стационарного состояния Вселенной
Большого Взрыва

24. Исторически первым фундаментальным взаимодействием, получившим теоретическое описание и объяснение, стало …
сильное ядерное
слабое ядерное
электромагнитное
гравитационное

25. Соответствие между видами взаимодействий и их характеристиками
сильное — Близкодействующее, передающее большую величину энергии, передающееся глюонами
электромагнитное — действующее на любом расстоянии, передающееся виртуальными фотонами
слабое — Близкодействующее, обусловливающее процессы распада некоторых легких элементарных частиц
гравитационное — действующее на любом расстоянии, наиболее слабое в микромире

26. В мегамире доминирует ____________ взаимодействие
гравитационное
сильное (ядерное)
слабое
электромагнитное

27. Частица – переносчик электромагнитных взаимодействий
фотон
электрон
электронное нейтрино
глюон

28. Уравнения Лоренца – это …
математические уравнения, характеризующие изменение метрических характеристик пространства-времени и положенные в основу специальной теории относительности
уравнения, описывающие свойства электромагнитного поля
уравнения, описывающие искривление поля тяготения в общей теории относительности

29. Предположительно процесс расширения Вселенной («Большой взрыв») начался … лет назад
34 млрд.
14 млрд.
1 млрд.
400 млн.
40 млн.
1,5 млн.

30. Наибольший вклад в создание классической физики внесли …
Г.Галилей и И.Ньютон
Ф.Бэкон и Р.Декарт
М.В.Ломоносов, П.Лаплас и Г.Лейбниц
Л. да Винчи и Коперник

31. Утверждение «Законы физики ковариантны по отношению к преобразованиям Лоренца» относится к …
специальной теории относительности
общей теории относительности
классической физике
квантовой электродинамике

32. В ядрах атомов между нуклонами доминирует взаимодействие …
сильное
слабое
электромагнитное
гравитационное

33. Соответствие между научными достижениями и их авторами
Уравнения электромагнитного поля — Дж.Максвелл
Специальная теория относительности — А.Эйнштейн
Принцип дополнительности — Н.Бор

34. Явление, с которым связаны законы сохранения
постоянство скорости света
расширение Вселенной
симметрия физического устройства мира
зависимость энергии и массы

35. Расположите перечисленные планеты Солнечной системы в правильном порядке в зависимости от расстояния до Солнца, начиная с ближайшей к Солнцу
1. Меркурий
2. Марс
3. Сатурн
4. Уран
5. Нептун

36. Переносчиком взаимодействий между материальными объектами служит …
физическое поле
физический вакуум
эфир
фотон

37. Согласно теории Большого взрыва, на раннем этапе развития Вселенная была …
сверхплотной, горячей и бесконечно малых размеров
неплотной, холодной и бесконечно больших размеров
сверхплотной, холодной и бесконечно больших размеров
горячей, неплотной и бесконечно малых размеров

38. Инерциальная система движется…
равномерно и прямолинейно либо находится в состоянии покоя
по инерции
с ускорением по любой траектории

39. Положение об инвариантности скорости света в любых системах отсчета относится к …
квантовой теории
общей теории относительности
специальной теории относительности
классической физике

40. Закон Хаббла устанавливает соотношение …
скорости удаления галактик друг от друга и расстояния между ними
скорости фаз расширения и сжатия Вселенной
изменения импульса и координаты микрочастицы

41. Элементарные частицы различаются …
массой
энтропией
валентностью
временем жизни

42. Частица – переносчик сильных взаимодействий
фотон
протон
кварк
глюон

43. Утверждение «Законы физики ковариантны по отношению к преобразованиям Галилея» относится к …
специальной теории относительности
общей теории относительности
классической физике
квантовой электродинамике

44. В соответствии с теорией Большого Взрыва, первым химическим элементом, образовавшимся на начальном этапе расширения Вселенной, был …
водород
гелий
углерод
железо
уран

45. Виртуальная частица – это …
элементарная частица – переносчик взаимодействий, для которой не выполняются обычные соотношения между массой, импульсом и энергией
разновидность адронов
разновидность кварков

46. Соответствие между названиями классов элементарных частиц и их свойствами
адроны — частицы, участвующие в сильных взаимодействиях
лептоны — легкие элементарные частицы
барионы — тяжелые элементарные частицы

47. Физический вакуум – это …
особое состояние материи
абсолютная пустота
нематериальное физическое поле
фиктивное понятие, не несущее какой-либо содержательной нагрузки

48. Атомы в молекулы соединяются посредством … взаимодействия
электромагнитного
сильного (ядерного)
слабого
гравитационного

49. Фундаментальное взаимодействие, обеспечивающее связь протонов в ядре атома
сильное ядерное
слабое ядерное
электромагнитное
гравитационное

50. Источник энергии Солнца
ядерные реакции
термоядерные реакции
химические реакции
аннигиляция

51. Соответствие между физическими объектами и явлениями (слева) и характеризующими их физическими свойствами и характеристиками (справа)
любой физический объект – энергия
фотон — масса покоя, равная нулю
«черная дыра» — замкнутость потоков излучения

52. В ходе термоядерных реакций происходит …
горение вещества
аннигиляция вещества
распад ядер тяжелых элементов
синтез ядер легких элементов

53. Теорию тяготения в классической физике создал
Г.Галилей
И.Ньютон
М.В.Ломоносов
Н.Коперник

54. Одна астрономическая единица – это расстояние …
от Земли до Солнца
от Земли до Луны
с которого радиус орбиты Земли виден под углом 1 угловая секунда

55. Сила трения является проявлением … взаимодействия
сильного ядерного
слабого ядерного
электромагнитного
гравитационного

56. Впервые применил уравнения общей теории относительности для описания Вселенной …
Дж.Максвелл
А.Эйнштейн
М.Планк
Э.Хаббл
А.Фридман

57. Последовательность фундаментальных взаимодействий в порядке возрастания их интенсивности:
1) гравитационное
2) слабое
3) электромагнитное
4) сильное

58. Космология – это наука о (об) …
происхождении жизни и разума во Вселенной
устройстве Солнечной системы
происхождении и развитии небесных тел
Вселенной в целом, ее свойствах, структуре, эволюции

59. Соответствие между физической теорией и ее основополагающим принципом
квантовая теория — порционность энергии электромагнитного излучения
классическая физика — принцип относительности Галилея
общая теория относительности — принцип эквивалентности

60. Инвариантность – это …
сохранение некоторой величины при определенных преобразованиях
сохранение определенной формы соотношения между величинами при определенных преобразованиях
развитие физических процессов и отражение их в человеческом сознании
сохранение какой-то величины при изменении другой

61. Космология – это наука о (об) …
Вселенной в целом, ее свойствах, структуре, эволюции
устройстве Солнечной системы
происхождении жизни и разума во Вселенной
происхождении и развитии небесных тел

62. Соответствие между именами ученых и их вкладом в развитие физики
И.Ньютон — завершил создание классической физики
Э.Резерфорд — разработал «планетарную» модель атома
Г.Миньковский — предложил понятие пространственно-временного континуума

Источник