Плотность частиц во вселенной

§ 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

Плотность вещества в вечной растущей вселенной

Плотность вещества на единицу объёма пространства постоянна во вселенной, которая беспредельно вечно равно пропорциональной прирастает в совокупном объёме пространства вакуума космоса и совокупной массе вещества малых и больших космических тел и систем космических тел.

Время это процесс бытия. Процесс бытия это время. Процесс бытия — время не обратимо вспять. Длительность процесса бытия (длительность времени) строится из последовательности моментов, мгновений процесса бытия (мгновений, моментов времени).

Процесс бытия реальности-вселенной не имеет начала и не имеет конца. Реальность-вселенная беспредельно бесконечная, не имеет конечных размеров. Реальность-вселенная мульти масштабно мульти локально фрактальная. Относительно каждого эпицентра локального процесса бытия действует физический механизм горизонта событий процесса бытия. Энергия-информация о событиях процесса бытия переносится на носителях энергии-информации процесса бытия. Горизонт событий — это то расстояние от эпицентра событий процесса бытия на момент излучения носителя информации, за пределы которого носитель информации никогда не сможет попасть вследствие удаления горизонта событий космологическим приростом объёма пространства материи вакуума космоса.

Материя вакуума и вещества неуничтожима на квантовом масштабе. Из неуничтожимости материи следует, что материя не только сохраняется, но и прирастает. Объём пространства и масса вещества вселенной прирастают во времени. Потому что необратимы вспять относительно редкие, но повсеместно систематически происходящие события рождения новых элементарных отдельностей материи объёма пространства вакуума космоса и Атомных Единиц Массы вещества в форме новых нейтронов. Рождение новых элементарных отдельностей материи вакуума и вещества является естественным процессом «туннелирования» голограммы виртуальной материи в реальную материю. Процесс бытия есть работа. Всякая работа производит продукт. Продуктом работы процесса бытия материи является самосохранение материи с приростом материи.

Во вселенной действует постоянное соотношение (константа) между объёмом пространства материи вакуума и Атомной Единицей Массы вещества (А.Е.М.).

Атомная Единица Массы — это электростатически нейтральный нейтрон или пара из протона и электрона, комплементарных друг к другу по электростатическому заряду.

Используем Число Авогадро, чтобы определить среднюю плотность вещества во вселенной в пересчёте на Атомную Единицу Массы.

1 грамм любого вещества содержит Число Авогадро 6,022140857*10^23 Атомных Единиц Массы.

По оценке астрономов средняя плотность вещества во вселенной около 3*10^-31 г/см^3.

Тогда: 3*10^-31 г/см^3 * 6,022140857*10^23 А.Е.М./г = 18,0422571*10^-8 А.Е.М./см^3 = 1,80422571*10^-7 А.Е.М./см^3

1/1,80422571*10^-7 А.Е.М./см^3 = 5,5425438*10^6 см^3/А.Е.М.

1 А.Е.М./5,5425438*10^6 см^3 = 1 А.Е.М./5,5425438 м^3

Резюме: на 5,5425 кубометров материи вакуума приходится 1 Атомная Единица Массы вещества в среднем по вселенной; на 1 Атомную Единицу Массы приходится 5,5425438 м^3 объёма пространства вакуума космоса:

5,5425438 м^3/1 А.Е.М.

1 А.Е.М/5,5425438 м^3.

А как определить количество элементарных отдельностей электростатического поля и магнитного поля, составляющих 1 кубический сантиметр, 1 кубический метр объёма пространства материи вакуума?

Реальность-Вселенная фрактально относительная элементарными отдельностями объёма пространства материи вакуума и Атомными Единицами Массы вещества (нейтронами и комплементарными парами из протона и электрона) относительно самой себя в векторе (сферовекторе?) процесса своего бытия.

Объёмная Постоянная Хаббла 6,591*10^-18 в секунду отражает равный пропорциональный прирост объёма пространства материи вакуума и массы вещества. Следовательно, одна Атомная Единица Массы производит следующее количество объёма пространства материи вакуума (М.В.) в секунду:

5,5425438 м^3 М.В. * 6,591*10^-18 /1 А.Е.М.* секунда = 36,53*10^-18 м^3 М.В./1 А.Е.М.* секунда = 3,653*10^-17 м^3 М.В./1 А.Е.М.* секунда.

Работа процесса бытия каждой Атомной Единицы Массы порождает 3,653*10^-11 см^3 объёма пространства Материи Вакуума за период времени одна секунда.

Отсюда можно попытаться определить величину элементарного объёма пространства материи вакуума: элементарного вихря материи электростатического поля и элементарного вихря материи магнитного поля.

Вероятно, надо учитывать количество оборотов в секунду нейтрона, протона, электрона. И учитывать сколько объёмов пространства А.Е.М. поместится в 5,5425438 м^3 объёма пространства материи вакуума. Можно предположить, что в 5,5425438 м^3 Материи Вакуума содержится некоторое количество Числа Авогадро элементарных отдельностей объёма пространства материи вакуума.

Порождаемые работой процесса бытия в относительно горячем веществе звезды Солнце новые нейтроны, в относительно большой доле не захватываются быстро двигающимися ядрами атомов и в течение 14 минут и 40 секунд разделяются на протон, электрон и фотон. Общая энергия фотона и кинетического движения протона и электрона составляет 782000 электрон-вольт. Энергия от разделения на протон, электрон и фотон не захваченных ядрами атомов новых нейтронов полностью обеспечивает светимость Солнца. Если бы все новые нейтроны делились в веществе Солнца на протон, электрон и фотон, то светимость Солнца была бы в более чем в 2,5 раза больше реально наблюдаемой светимости.

При захвате новых нейтронов ядрами атомов получаются более тяжёлые изотопы исходных элементов, в том числе радиоактивные изотопы с избыточным количеством нейтронов относительно протонов. При захвате протона или электрона получающихся от деления на протон или электрон новых нейтронов в тесной близости от ядер атомов, ядра таких атомов прирастают на одну Атомную Единицу Массы и прирастают на единицу электростатического заряда, или не прирастают в массе, но теряют одну единицу электростатического заряда.

Деление новых радиоактивных атомов в веществе Солнца вносит незначительную долю в энергетику Солнца.

Термоядерный синтез протия, дейтерия в новые атомы гелия и другие виды термоядерного синтеза вносят малую долю в энергетику Солнца.

Порождаемые работой процесса бытия в относительно холодном веществе планеты Земля новые нейтроны почти все захватываются медленно двигающимися ядрами атомов. Поэтому тепловой поток из недр Земли в миллионы раз меньше, чем мог быть, если бы все новые нейтроны в веществе планеты Земля делились на протон, электрон и фотон. Трансмутация атомов вещества планеты Земля в результате захвата ядрами атомов новых нейтронов или захвата протона или электрона — продуктов деления новых нейтронов, ведёт к рождению в веществе планеты Земля новых атомов радиоактивных элементов вплоть до разных изотопов атомов урана и тория. А также обеспечивает синтез стабильных изотопов элементов вплоть до висмута, утилизирует в ядрах атомов новые нейтроны и утилизирует потенциальную энергию новых нейтронов.

Относительно небольшое выделение энергии в недрах планеты Земля, прирост массы планеты Земля, изменение плотности разных малых и больших объёмов вещества вследствие трансмутации атомов вещества, ведущей к медленному всплытию к поверхности возникающих менее плотных фракций и меленному погружению вглубь возникающих более плотных фракций вещества, является физической причиной тектонических процессов, землетрясений и вулканической активности планеты Земля.

Трансмутация атомов элементов в веществе планеты Земля обеспечивает физическую и химическую эволюцию вещества, ведёт к эволюции молекул неживого вещества в молекулы живого вещества.

Поскольку работа процесса бытия массы вещества порождает новые элементарные отдельности объёма пространства материи вакуума, а работа процесса бытия материи вакуума порождает новые Атомные Единицы Массы вещества в форме новых нейтронов (около 4 миллионов новых нейтронов в секунду в грамме любого вещества), постольку очевидно, что Солнце растёт в массе на относительную величину Объёмной Постоянной Хаббла и прирастает в светимости. Космологическим приростом объёма пространства материи вакуума давлением солнечного ветра и давлением света от Солнца планеты отодвигаются от Солнца приблизительно пропорционально квадрату увеличения светимости Солнца. Поэтому тепловой поток на единицу поверхности Земли остаётся приблизительно одинаковым на протяжении нескольких миллиардов лет. А короткие и длинные периоды повышенной и пониженной активности относительно стабильной звезды желтого карлика — нашего Солнца вызывают соответствующие периоды относительно небольшого повышения и понижения средней температуры воздуха и поверхности Земли, температуры воды в океанах.

В иллюстрации отражены объёмы в литрах, которые занимают килограмм-моли твёрдых или жидких фаз элементов вещества. Для водорода указаны объёмы, которые занимают килограмм-моли трёх разных изотопных фракций: протия, дейтерия, трития.

Источник