Предмет релятивистской астрофизики — наша Вселенная

Из чего состоит наблюдаемая Вселенная. Основные параметры космологических моделей. Тёмная материя. Тёмная энергия. Единицы измерения. Литература по астрофизике.

Начало курса «Основы релятивистской астрофизики»

«Основы релятивистской астрофизики»

В первых двух главах, которые являются вводными, мы кратко обсудим следующие вопросы:

  • • основные компоненты наблюдаемой Вселенной: барионы, тёмную материю, тёмную энергию;
  • • откуда мы про них узнали — самые начала астрофизики и космологии;
  • • за что были даны Нобелевские премии по физике в 2011 и 2019 гг.;
  • • основные единицы и константы;
  • • литературу по курсу;
  • • магнетизм как релятивистский эффект;
  • • парадокс Лапласа;
  • • чем и что наблюдают астрономы;
  • • реликтовое излучение и характерный размер его пятен.

Введение о барионах, тёмной материи и тёмной энергии во Вселенной

К релятивистской астрофизике относят изучение релятивистских эффектов в звездах и космологию — изучение Вселенной в целом. В космологии за последние десятилетия сложилась своя Стандартная модель, согласно которой считается, что примерно за одну четверть средней плотности Вселенной отвечает нерелятивистская холодная тёмная материя (англ, dark matter, DM). Барионы должны составлять ~5 %. Такое значение необходимо для объяснения первичного нуклеосинтеза и спектра анизотропии реликтового излучения, но реально напрямую их «видно» раза в 3 меньше. Три четверти плотности Вселенной составляет так называемая тёмная энергия (англ, dark energy, DE). Не исключено, что это не энергия какого-то физического поля, а модификация гравитации, предложенная Альбертом Эйнштейном в самом начале развития космологии - Л-член.

Важно осознавать, что Стандартная модель современной физики описывает самую малую составную часть наблюдаемой Вселенной — барионную (вместе с фотонами и лептонами), а из чего состоит тёмная материя и что такое тёмная энергия, достоверно никто не знает. Это делает изучение релятивистской астрофизики интересным и важным для фундаментальной физики.

Одна из основных целей нашего пособия — объяснить, на основе каких фактов получены такие сведения о компонентах Вселенной. В частности, каким образом изучение ускоренного расширения Вселенной по наблюдениям сверхновых (Нобелевская премия по физике 2011 г.) помогает нам судить о доле тёмной энергии.

Нобелевская премия по физике 2011 г. присуждена Солу Перл- муттеру, Брайану Шмидту и Адаму Рису за открытие ускоренного расширения Вселенной. В 1998 г. эти ученые вместе с коллегами обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Открытие было сделано благодаря изучению сверхновых типа 1а.

В 2019 г. Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе», половина была присуждена Джеймсу (Джиму) Пиблсу (Принстонский университет, США) «за теоретические открытия в физической космологии», а другая половина — совместно Мишелю Майору (Женевский университет, Швейцария) и Дидье Кело (Женевский университет, Швейцария, Кембриджский университет, Великобритания) «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа».

Кроме того, нельзя забывать, что развитие релятивистской теории гравитации не завершено. В слабом поле все эффекты прекрасно описывает общая теория относительности (ОТО, англ, general theory of relativity, GTR или просто GR), но ее предсказания в сильном поле еще предстоит проверить.

Более того, астрофизики-теоретики не оставляют надежды разработать модифицированные теории гравитации, которые бы позволили объяснить астрономические наблюдения последних десятилетий без введения таких дополнительных сущностей, как тёмная материя, тёмная энергия и инфляционная стадия расширения Вселенной. Там возможны сюрпризы.

ю

Важные константы

Сразу введем важные астрономические константы.

Физики-теоретики пользуются естественными единицами, в которых с = h = 1 и т. д. В астрофизике и космологии приходится проверять, являются ли фундаментальные константы на самом деле постоянными, поэтому там до сих пор используется система СГС (сантиметр-грамм-секунда) как наиболее удобная между субатомными и сверхгалактическими масштабами, но для точных астрономических и наземных измерений выбор единиц заслуживает особого разговора. Есть такая наука — метрология, которая занимается общей теорией измерений, определением единиц физических величин и созданием систем единиц. При сравнении теории с наблюдениями приходится думать о выборе единиц и немного разбираться в метрологии.

Для свободного владения астрофизическими оценками достаточно точности в одну значащую цифру. Мы приводим цифры в основном в СГС.

Нужно помнить следующие величины:

  • — масса Солнца — MQ ~ 2 • 1033 г;
  • — радиус Солнца — RQ~7 ? 1010 см = 7 • 105 км;
  • — светимость Солнца — Lq~ 4 • 1033 эрг/с = 4 • 1026 Вт;
  • — скорость света — с = 3 • 1010 см/с = 3 • 105 км/с;
  • — ньютоновская постоянная — GN= 6,7 • 10-8 см3/(г-с2).

Последнюю константу удобно подставлять в оценки как одну

пятнадцатимиллионную: 6,7 • 108= 1/(15 • 106).

Также астрономы пользуются единицей расстояния а. е. = AU — среднее расстояние от Земли до Солнца, = 1,5 • 1013 см. О световых годах и парсеках более подробно будет сказано в параграфе 3.5 и в следующих главах.

Точные значения констант описаны в буклетах Particle Data Group (PDG)1, в статьях[1] [2] и на сайте PDG[3]. Для физических констант см. он- лайн-ресурсы[4].

Для оценок полезно помнить, что радиус Земли примерно в 100 раз меньше радиуса Солнца, а средняя плотность — в 3 раза выше. В свою очередь, у Солнца средняя плотность в полтора раза выше плотности воды, а в центре — в 150 раз выше плотности воды.

  • [1] Группа компиляции данных по элементарным частицам (или PDG) — этомеждународная коллаборация физиков, специализирующихся на элементарныхи субэлементарных частицах. Группа собирает и повторно анализирует опубликованные результаты, относящиеся к свойствам частиц и фундаментальным взаимодействиям. Она также публикует обзоры теоретических результатов, которые феноменологически актуальны, в том числе в смежных областях, таких как космология.
  • [2] См.: Nakamura К. (Particle Data Group). Review of Particle Physics // Journalof Physics G: Nuclear Physics. 2010. Vol. 37. № 7. Iss. 075021 (PDG2010); обновленныеданные см.: Tanahashi M. (Particle Data Group). Review of Particle Physics // Phys.Rev. D. 2018. Vol. 98. Iss. 030001 (PDG2018).
  • [3] http://pdg.lbl.gov (дата обращения: 22.10.2019).
  • [4] http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html; http://www.nist.gov/pml/div684/constants-071911.cfm (дата обращения: 22.10.2019).
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >