Новости науки 31.05.01. Отголоски шума ранней Вселенной в пространственном
распределении галактик
Без преувеличения можно сказать, что в последние годы изучение
реликтового микроволнового фона и его угловых флуктуаций принесло
наибольшее количество блестящих результатов в космологии. Прошел
всего лишь год после публикации результатов превосходных балонных
эксперименто MAXIMA
(Halverson я дм., 2001,
). Эти эксперименты однозначно
показали, что пространственные сечения нашей Вселенной имеют топологию
почти плоского Евклидова пространства (ограничения на радиус кривизны
порядка размера современного горизонта), а основная доля энергии
во Вселенной сосредоточена в Темной Энергии (космологической постоянной
или квинтэссенции), эффективно создающей антигравитацию и определяющей
ускоренное расширение Вселенной в современную эпоху. Ускоренное
расширение Вселенной независимо установлено по измерению блеска
далеких сверхновых типа Ia, которые можно считать источниками постоянной
мощности (стандартные свечи) (см. недавнюю заметку
С.И.Блинникова на этом сайте).
В конце мая появилась очень интересная работа Криса Миллера, Роберта
Нихола (Университет Карнеги Меллон, Питтсбург, США) и Дэвида Батуски
(Университет Мэйн, Ороно, США) (будет опубликована в журнале Сайенс),
в которой изучаются осцилляции в крупномасштабном распределении
галактик. Мотивация работы проста. Согласно модели горячей Вселенной,
мы наблюдаем флуктуации температуры реликтового фона, которые есть
просто "отпечаток" акустических колебаний первичной плазмы в эпоху
рекомбинации, которой соответствует красное смещение z @ 1000 (примерно
500000 лет после начала расширения). Колебания плазмы в свою очередь
вызваны первичными квантово-механическими флуктуациями, которые
неизбежно должны присутствовать на очень ранней (квантово-гравитационной)
стадии эволюции Вселенной. До эпохи рекомбинации вещество находилось
в состоянии, представляющем собой смесь фотонов, электронейтральной
водородно-гелиевой плазмы и темного вещества. Под действием гравитационной
неустойчивости области повышенной плотности стремились сжиматься,
но давление фотонов было столь велико, что в плазме возникали акустические
колебания (как в обычной сплошной среде). Именно эти акустические
осцилляции (их еще называют Сахаровскими осцилляциями, в честь А.Д.Сахарова,
впервые теоретически предсказавшего их существование в 1965 г.)
и наблюдаются в угловом спектре реликтовых флуктуаций, измеренном
в указанных выше экспериментах.
Рост возмущений, приведший к образованию наблюдаемых структур во
Вселенной (галактик и скоплений галактик), начался только после
эпохи рекомбинации в "холодном" нейтральном веществе, прозрачном
для излучения, в котором давление фотонов перестало играть существенную
роль. Поскольку вещество и излучение до эпохи рекомбинации было
тесно "сцеплено" между собой из-за Томсоновского рассеяния фотонов
на свободных электронах плазмы, "портрет" осцилляций должен был
бы быть запечатлен в колебаниях плотности вещества, которые впоследствии
и создали наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной. Заметим,
что нужно брать достаточно большие масштабы - более 50 Мпк, так
как в меньших масштабах осцилляции плотности просто "замыты" локальными
движениями галактик и скоплений.
Миллер, Нихол и Батуски проанализировали пространственный спектр
флуктуаций распределения галактик и скоплений галактик по данным
нескольких каталогов, данные в которых позволяют достаточно полно
описать структуру до размеров областей с размерами в гигапарсек.
Было обнаружено, что спектр пространственных флуктуаций наблюдаемой
плотности вещества в нашу эпоху (на красных смещениях порядка 0.1)
ясно свидетельствует о колебаниях, и более того, из этих данных
был восстановлен спектр этих колебаний (зависимость от масштаба).
Результат приведен на рисунке (правая часть).
Далее авторы взяли стандартную космологическую модель и определили,
при каких параметрах должна получаться такая картина крупномасштабных
флуктуаций плотности. Эти параметры (полная плотность вещества в
единицах критической плотности,
Wmh2=0.12(+0.02,-0.03), плотность барионного
вещества в единицах критической плотности, Wbh2=0.029(+0.011,-0.015),
и показатель наклона пространственного спектра первичных флуктуаций
ns=1.08(+0.17,-0.20), находятся в отличном согласии с
независимыми определениями из других данных. Единственный важный
параметр, который не определяется из флуктуаций плотности - вклад
в полную плотность энергии вакуума (темной энергии, космологической
постоянной или квинтэссенции), Wvac. Но его можно взять
из независимых наблюдений современной динамики расширения Вселенной
по сверхновым типа Ia, согласно которым Wvac@0.8.
Таким образом, наблюдения крупномасштабной структуры на красных
смещениях z ~ 0.1 в сочетании с данными о динамике расширения Вселенной
на z ~ 0.1 позволяют восстановить, каким должен был бы быть
"портрет" акустических колебаний плазмы в эпоху рекомбинации на
z ~ 1000! Результат - см. левую часть Рисунка, на котором приведен
измеренный спектр угловых флуктуаций реликтового излучения
- просто поразителен: сплошная кривая не является наилучшим
описанием наблюдательных данных, она получена теоретически из стандартной
космологической модели горячей Вселенной с приведенными выше параметрами.
Обращает на себя внимание факт наличия второго и третьего пика
в спектре угловых осцилляций, однозначно подтверждающих современные
представления об изначальной фазовой скоррелированности флуктуаций.
Это могло быть только если в очень ранней Вселенной существовала
эпоха очень быстрого (квази-экспоненциального) расширения (модель
инфляционной Вселенной).
|