Величина средней плотности 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

Вселенная бесконечна

Вселенная

Бурно развивающаяся космология достигла значительных успехов — современное состояние и ближайшее прошлое Вселенной в значительной мере можно считать известными.

Во-первых, доказана изотропия свойств Вселенной — все направления в ней равноправны: видимая картина Вселенной не зависит от направления луча зрения.

Этот факт относится к общему радиоизлучению, пронизывающему всю бесконечную Вселенную (оно названо реликтовым фоном, так как кванты его были излучены на самой ранней стадии развития Вселенной, когда еще не было ни звезд, ни галактик), а также к радиоволновому радиоизлучению и к рентгеновскому излучению.

Во-вторых, можно считать, что Вселенная однородна. Так же, как все направления, все точки ее равноправны. Отклонения от однородности составляют доли процента.

Приняв изотропную и однородную модель Вселенной, можно сделать выводы для этой модели из известных законов физики.

Вот тут-то и встает вопрос: можно ли для этого пользоваться законами, установленными в лаборатории?

Не окажется ли, что при переходе к грандиозным масштабам Вселенной сами эти законы придется менять?

Большинство ученых полагает, что такое изменение физических законов уже произошло, когда возникла общая теория относительности и появилось представление о кривизне пространства-времени.

До сих пор нет никаких данных, указывающих на ограниченность применения общей теории относительности к масштабам бесконечной Вселенной.

Релятивистская космология приводит к выводу о том, что в прошлом вещество Вселенной имело огромную плотность, а пространство-время огромную кривизну.

Такое состояние называется сингулярным, особым. Оно удалено от нас по времени более чем на 10 миллиардов лет. Однако нельзя забывать, что каждая частица (или ее предки) вышла из горнила сингулярности.

Настоящее и будущее Вселенной зависят от ее прошлого. Общая же теория относительности неприменима для сингулярного состояния. Вся совокупность теоретических, экспериментальных и наблюдаемых фактов говорит о применимости законов общей теории относительности для описания развития Вселенной лишь «почти с самого начала».

Наблюдения показывают, что мы живем в эволюционирующей, развивающейся и расширяющейся Вселенной. Это свойство вытекает из космологической модели советского математика А. А. Фридмана (1922 г.) и открытого Э. Хабблом красного смещения в спектрах галактик (1929 г.).

Средняя плотность материи во Вселенной

Судить о направлении эволюции Вселенной можно, зная современную плотность материи во Вселенной. Из общей теории относительности вытекает, что существует некоторое критическое значение плотности; если нынешняя плотность меньше этого значения, то расширение будет продолжаться неограниченно, если плотность больше, то расширение в будущем сменится сжатием.

Определение средней плотности материи во Вселенной непосредственно из астрономических наблюдений различных небесных тел и излучений — задача очень сложная.

Средняя плотность вещества, находящегося сейчас в галактиках, примерно известна. Если его «размазать» по всему пространству, то величина плотности составит 3*10 -31 г/см 3 , то есть величину, в 20 раз меньшую, чем критическая плотность.

В самое последнее время появились указания на то, что галактики, возможно, окружены «коронами», состоящими из звезд малой светимости и поэтому очень трудно обнаружимыми.

При учете массы «корон» средняя плотность вещества во Вселенной может увеличиться в несколько раз.

Кроме того, трудно учесть плотность других видов материи. В настоящее время нет надежных оценок возможного количества потухших звезд, квазаров и каких-либо других слабо светящихся или не светящихся объектов между галактиками.

Таким образом, ответа на вопрос, какова средняя плотность вещества Вселенной — больше или меньше она, чем критическая,- пока нет. И, следовательно, до сих пор не ясно, Вселенная бесконечна или она конечна.

Источник

Величина средней плотности вселенной