เรื่องของสสารมืดและพลังงานมืดในจักรวาล 3. จักรวาลในอดีต

สสารมืดและพลังงานมืดในจักรวาล

Valery Anatolyevich Rubakov,
สถาบันวิจัยนิวเคลียร์, RAS, มอสโก, รัสเซีย

การนำเสนอการบรรยาย (pdf, 2 Mb)

ดาวน์โหลดวิดีโอ (AVI): ตอน 1 (180 MB), ตอน 2 (210 MB), ตอน 3 (250 MB)

  • 1. บทนำ
  • 2. การขยายจักรวาล
  • 3. จักรวาลในอดีต
  • 4. ความสมดุลของพลังงานในจักรวาลสมัยใหม่
  • 5. สสารมืด
  • 6. พลังงานมืด
  • 7. ข้อสรุป

3. จักรวาลในอดีต

ให้เราพูดถึงสองขั้นตอนของวิวัฒนาการของจักรวาลเกี่ยวกับข้อมูลการสังเกตที่เชื่อถือได้ในปัจจุบัน หนึ่งในนั้นเป็นช่วงที่ค่อนข้างใหม่เป็นเวทีของการเปลี่ยนแปลงของสสารในจักรวาลจากพลาสมาเป็นสถานะก๊าซ มันเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 3000 องศาและอายุของจักรวาลในเวลานั้นคือ 300,000 ปี (ค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับปัจจุบัน 14 พันล้านปี) ก่อนหน้านี้อิเล็กตรอนและโปรตอนเคลื่อนที่แยกจากกันสารนี้เป็นพลาสม่า ที่อุณหภูมิ 3000 องศาอิเล็กตรอนและโปรตอนรวมเข้ากับอะตอมของไฮโดรเจนและจักรวาลเต็มไปด้วยก๊าซชนิดนี้ เป็นสิ่งสำคัญที่พลาสม่าเป็นทึบแสงรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า; โฟตอนจะถูกปล่อยออกมาตลอดเวลาดูดซึมกระจัดกระจายโดยพลาสม่าอิเล็กตรอน ก๊าซในทางตรงกันข้ามมีความโปร่งใสดังนั้นรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาถึงเราด้วยอุณหภูมิ 2.7 องศาจึงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในจักรวาลตั้งแต่ช่วงเปลี่ยนจากพลาสม่า – แก๊สทำให้เย็นลง (แดง) ตั้งแต่นั้นมา 1,100 ครั้งเนื่องจากการขยายตัวของจักรวาล รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้เก็บรักษาข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของจักรวาลในขณะที่มีการเปลี่ยนพลาสม่า – แก๊ส เรามีรูปถ่าย (ตัวอักษร) ของจักรวาลเมื่ออายุ 300,000 ปีเมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 3000 องศา

การวัดอุณหภูมิของรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟธาตุนี้ที่มาจากเรา ทิศทางที่แตกต่างกัน ในท้องฟ้าเราจะหาว่าพื้นที่ใดที่อุ่นกว่าหรือหนาวกว่า (และหนาแน่นขึ้นหรือทินเนอร์) กว่าค่าเฉลี่ยในจักรวาลและที่สำคัญที่สุดคือเท่าใดที่อุ่นกว่าหรือหนาวกว่านั้น ผลจากการวัดเหล่านี้ก็คือจักรวาลเมื่ออายุ 300 พันปีมีความเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้นกว่าวันนี้: ความแปรผันของอุณหภูมิและความหนาแน่นมีค่าน้อยกว่า 10-4 (0.01%) ของค่าเฉลี่ย อย่างไรก็ตามรูปแบบเหล่านี้มีอยู่: จากทิศทางที่แตกต่างกันการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามาจากอุณหภูมิที่แตกต่างกันเล็กน้อย นี้จะแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการกระจายอุณหภูมิตามทรงกลมท้องฟ้า (ภาพของเอกภพในช่วงต้น) ลบค่าเฉลี่ยอุณหภูมิ 2.725 องศาเคลวิน; พื้นที่ที่หนาวกว่าจะแสดงเป็นสีฟ้า4.

ภาพที่ปรากฏบน มะเดื่อ 3นำไปสู่ข้อสรุปที่สำคัญและไม่คาดคิดหลายอย่าง ประการแรกเขาได้รับอนุญาตให้กำหนดว่าพื้นที่สามมิติของเรามีความถูกต้องแม่นยำคือ Euclidean: การรวมมุมของรูปสามเหลี่ยมอยู่ที่ 180 องศาแม้เป็นรูปสามเหลี่ยมที่มีด้านข้างซึ่งมีความยาวเทียบเท่ากับขนาดของส่วนที่มองเห็นได้ของจักรวาลนั่นคือเปรียบได้กับ 14 พันล้านแสง ปีที่ผ่านมา โดยทั่วไปทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสันนิษฐานว่าพื้นที่อาจไม่ใช่ยุคลิด แต่โค้ง; ข้อมูลการสังเกตการณ์แสดงให้เห็นว่าไม่ใช่กรณีนี้ (อย่างน้อยที่สุดสำหรับภูมิภาคของเราในจักรวาล) วิธีการวัด "ผลรวมของมุมของรูปสามเหลี่ยม" ในระยะทางดาราศาสตร์เป็นดังนี้ มีความเป็นไปได้ที่จะคำนวณขนาดพื้นที่เฉพาะของพื้นที่ที่มีอุณหภูมิแตกต่างจากค่าเฉลี่ย: ในช่วงเวลาของการเปลี่ยนพลาสมาแก๊สขนาดนี้กำหนดโดยอายุของจักรวาลนั่นคือเป็นสัดส่วนกับ 300,000 ปีแสง ขนาดเชิงมุมที่สังเกตได้ของพื้นที่เหล่านี้ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของพื้นที่สามมิติซึ่งทำให้สามารถระบุได้ว่ารูปทรงเรขาคณิตนี้เป็นยุคลิด

ในกรณีของยุคเรขาคณิตแบบยุคลิดในพื้นที่สามมิติทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะเชื่อมต่ออัตราการขยายตัวของจักรวาลโดยรวม ความหนาแน่นของทุกรูปแบบของพลังงานเช่นเดียวกับในทฤษฎีนิวตันของความเร็วของการหมุนของโลกรอบดวงอาทิตย์จะถูกกำหนดโดยมวลของดวงอาทิตย์ อัตราการขยายตัวที่วัดได้สอดคล้องกับความหนาแน่นของพลังงานทั้งหมดในเอกภพสมัยใหม่

ในแง่ของความหนาแน่นมวล (เนื่องจากพลังงานเกี่ยวข้องกับมวลโดย E = MC2) หมายเลขนี้คือ

ถ้าพลังงานในจักรวาลถูกกำหนดโดยพลังงานที่เหลืออยู่ของสสารธรรมดาแล้วโดยเฉลี่ยจะมีโปรตอน 5 ตัวในหนึ่งลูกบาศก์เมตรในจักรวาล เราจะเห็นว่าเรื่องสามัญในเอกภพมีขนาดเล็กมาก

ประการที่สองจากภาพ มะเดื่อ 3 คุณสามารถกำหนดสิ่งที่ได้ ความคุ้มค่า (กว้าง) inhomogeneities อุณหภูมิและความหนาแน่นของเอกภพในยุคแรก ๆ คือ 10-4-10-5 จากค่าเฉลี่ย จากความหนาแน่นที่เกิดขึ้นนี้กาแลคซีและกระจุกกาแลคซีเกิดขึ้นได้: บริเวณที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นดึงดูดสภาพแวดล้อมให้กับตัวเองเนื่องจากแรงโน้มถ่วงกลายเป็นกาแลคซีที่มีความหนาแน่นมากที่สุดและเกิดขึ้นในที่สุด

เนื่องจากความถ่วงจำเพาะของความหนาแน่นเริ่มต้นเป็นที่รู้จักกันกระบวนการในการก่อตัวของกาแลคซีสามารถคำนวณได้และสามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์กับการกระจายกาแลคซีที่สังเกตได้ในจักรวาล การคำนวณนี้สอดคล้องกับข้อสังเกตเฉพาะเมื่อสันนิษฐานว่านอกเหนือจากเรื่องธรรมดามีอีกเรื่องหนึ่งในจักรวาล: สสารมืดซึ่งมีส่วนร่วมในความหนาแน่นของพลังงานทั้งหมดในปัจจุบันประมาณ 25%

มะเดื่อ 4

ขั้นตอนอื่นในการวิวัฒนาการของจักรวาลจะสอดคล้องกับครั้งก่อน ๆ ตั้งแต่ 1 ถึง 200 วินาที (!) จากช่วงเวลาแห่งบิกแบงเมื่ออุณหภูมิของจักรวาลถึงพันล้านองศา ในเวลานี้ปฏิกิริยานิวเคลียร์นิวเคลียร์เกิดขึ้นในจักรวาลคล้ายกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในใจกลางดวงอาทิตย์หรือในการระเบิดด้วยความร้อน อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของโปรตอนที่เกี่ยวข้องกับนิวตรอนและสร้างนิวเคลียสนิวเคลียส – ฮีเลียมดิวเทอเรียมและลิเทียม – นิวเคลียส จำนวนของนิวเคลียสแสงที่เกิดขึ้นสามารถคำนวณได้โดยไม่ทราบค่าพารามิเตอร์เพียงอย่างเดียวคือจำนวนโปรตอนในจักรวาล (อันที่จริงการลดลงของเอกภพจะลดลงเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ แต่ค่าต่างๆในแต่ละช่วงเวลาก็เชื่อมต่อกับกันและกัน)

การเปรียบเทียบการคำนวณนี้กับจำนวนแสงที่สังเกตได้ในจักรวาลจะได้รับมา มะเดื่อ 4: เส้นแสดงผลลัพธ์ของการคำนวณทางทฤษฎีขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์เดียวคือความหนาแน่นของสารสามัญ (baryons) และสี่เหลี่ยมผืนผ้า – ข้อมูลเชิงสังเกต เป็นที่น่าทึ่งว่ามีข้อตกลงสำหรับทั้งสามนิวเคลียสแสง (helium-4, deuterium และ lithium-7); มีข้อตกลงกับข้อมูลเกี่ยวกับการแผ่รังสีพื้นหลัง (แสดงโดยแถบแนวตั้งในรูปที่ 4 ซึ่งแสดงโดย MW – พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล) ข้อตกลงนี้แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกฎหมายที่รู้จักกันดีของฟิสิกส์นิวเคลียร์ได้อธิบายจักรวาลอย่างถูกต้องเมื่ออายุได้ 1-200 วินาทีเมื่อเรื่องนี้มีอุณหภูมิประมาณหนึ่งพันล้านองศาและอื่น ๆ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับเราว่าข้อมูลทั้งหมดนี้นำไปสู่ข้อสรุปว่าความหนาแน่นมวลของเรื่องธรรมดาในเอกภพสมัยใหม่คือ

นั่นคือเรื่องธรรมดาทำให้เพียง 5% ของความหนาแน่นของพลังงานทั้งหมดในจักรวาล


4 ข้อสังเกตจาก WMAP ผ่านดาวเทียม


Like this post? Please share to your friends:
สสารมืดและพลังงานมืดในจักรวาล ">
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: