Шпаргалки / Физика / Астрофизика и космология

02. Галактики и расширение Вселенной

Галактики и расширение Вселенной

Уровень: обзор → университет

Галактики

Гравитационно связанные системы звёзд, газа, пыли, компактных объектов и тёмной материи.

Основные морфологии:

  • спиральные;
  • эллиптические;
  • неправильные.

В центрах многих галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Тёмная материя

Наблюдательные признаки:

  • кривые вращения галактик;
  • динамика скоплений;
  • гравитационное линзирование;
  • структура космического микроволнового фона;
  • рост крупномасштабной структуры.

Она взаимодействует гравитационно, но её микроскопическая природа пока не установлена.

Космологический принцип

На достаточно больших масштабах Вселенная приближённо однородна и изотропна.

Метрика Фридмана—Леметра—Робертсона—Уокера описывает расширяющееся пространство через масштабный фактор \(a(t)\).

Красное смещение

\[ 1+z=\frac{\lambda_{obs}}{\lambda_{emit}}. \]

Для космологического расширения:

\[ 1+z=\frac{a(t_0)}{a(t_{emit})}. \]

При малых расстояниях:

\[ v\approx H_0d. \]

Это закон Хаббла—Леметра.

Расширение — не обязательно разлёт галактик через заранее существующее неподвижное пространство; в ОТО меняется метрический масштаб между несвязанными объектами.

Уравнение Фридмана

\[ H^2=\left(\frac{\dot a}{a}\right)^2 = \frac{8\pi G}{3}\rho - \frac{kc^2}{a^2} + \frac{\Lambda c^2}{3}. \]

Содержимое и кривизна определяют эволюцию \(a(t)\).

Критическая плотность

\[ \rho_c=\frac{3H^2}{8\pi G}. \]

Параметры плотности сравнивают компоненты с \(\rho_c\).

Большой взрыв

Это не взрыв вещества из одной точки в окружающую пустоту, а раннее горячее плотное состояние всей наблюдаемой области и последующее расширение.

Основные свидетельства:

  • расширение;
  • космический микроволновый фон;
  • первичный нуклеосинтез;
  • эволюция структуры.

Космический микроволновый фон

Реликтовое излучение с температурой около \(2{,}7\) К, возникшее после рекомбинации, когда Вселенная стала прозрачной.

Малые анизотропии содержат информацию о ранней плазме и космологических параметрах.

Тёмная энергия

Наблюдаемое позднее расширение ускоряется. В простейшей модели это космологическая постоянная с отрицательным давлением:

\[ p=-\rho c^2. \]

Физическая природа остаётся открытым вопросом.

Горизонты

Конечная скорость света и история расширения ограничивают наблюдаемую область. Наблюдаемая Вселенная не обязательно равна всей Вселенной.

Ошибки

  • Считать центром расширения нашу галактику.
  • Путать красное смещение только с обычным доплеровским эффектом на больших космологических расстояниях.
  • Считать тёмную материю просто невидимым обычным газом.
  • Представлять Большой взрыв как взрыв в одной точке пространства.

Самопроверка

  1. Что означает масштабный фактор?
  2. Какие наблюдения указывают на тёмную материю?
  3. Есть ли у однородного расширения выделенный центр внутри пространства?
Ответы 1. Относительное изменение космологических расстояний. 2. Кривые вращения, линзирование, скопления, CMB и структура. 3. Нет, как у поверхности надувающегося шара нет центра на самой поверхности.