Потребителски вход

Запомни ме | Регистрация
Постинг
23.04.2008 23:33 - Новата Космология - LCDM 2003-2008 част2
Автор: physnews Категория: Технологии   
Прочетен: 2678 Коментари: 0 Гласове:
0

Последна промяна: 23.04.2008 23:45


 ΛCDM модел на Вселената

Този текст продължение на обзора на съвремената наука за произхода и еволюцията на Вслената. Първата част може да прочетете тук: http://physnews.blog.bg/viewpost.php?id=186213

 Ранни етапи от еволюцията на Вселената

Новият космологичен модел, създаден въз основа на наблюдателните резултати в последните няколко години, не променя представата ни за процесите, протекли в ранните статдии на съществуване на Вселената от началото на разширението до края на радиативно доминираната епоха (РДЕ), когато излъчването се е отделило от материята. Това се дължи на факта, че Вселената в този период е доминирана от материята и влиянието на Λ – члена е пренебрежимо.

Ранната еволюция на Вселената може да бъде разделена на следните етапи:

1)  Планкова ера

Планковата ера е най-ранния етап от развитието на Вселената, характеризираща се с граничните стойности на физичните величини. Вселената е във вакуумно състояние, което представлява набор от квантови пространствено-времеви елементи, които осцилират около планковите стойности подчинявайки се на съотношенията за неопределеност. Хоризонта на събитията е lp = c tp.

2)  Инфлация

Първичният инфлационен модел (A. Guth (1981), A. Linde (1982-83)) е създаден за да премахне противоречията при изясняване на еволюцията на Вселената в нейните най-ранни стадии. Ето накратко основните процеси, характеризиращи този етап.

За време от tP ≈ 10-43 s до ti ≈ 10-36 s Вселената преминава през фазов вакуумен преход, при температура Ө ~ 1015 GeV, при които се раждат носителите на обединеното взаимодействие (според GUT). Приема се, че ρvac є ρΛ, или тъждественост на Λ–члена и вакуума, т.е. уравнение на състоянието: рΛ = - uΛ = - ρΛ c2, където ρΛ = const .

При нефридманово разширение по експоненциален закон, т.е. а(t) ~ eHt, където а(t) е мащабния фактор, първоначалните квантови флуктуации се разтягат до космологични размери. Тези нееднородности причиняват пертурбациите в плътността на веществото и излъчването, които са от основно значение за по-нататъшната еволюция на материята.

3)  Радиативно доминирана епоха (РДЕ, RDE)

РДЕ се характеризира с плътност на излъчването ρr > ρт. През времевия интервал    ti ≈ 10-36 s до tотделяне ≈ 1013 s, Вселената се състои от ултрарелативистки газ (УРГ) с уравнение на състоянието pУРГ = 1/3 uУРГ и u(t) = u0/a4(t) = ρ(t)c2. Разширението е вече фридманово с мащабен фактор

                                         a(t) =image image

В зависимост от това, кои частици са в равновесие с излъчването, еволюцията на материята в РДЕ се дели на следните етапи:

3.1) Адронна ера

Интервалът от време (t 940 МеV/частица, и в нея, като резултат от анихилацията, се продуцират основната част от фотоните за бъдещото CMB . Броят на античастиците е бил равен на броя на частиците, но по все още хипотетични причини е останал незначителен барионен излишък (барионна асиметрия). Той представлява известно неравенство в броя  бариони image, към броя  на антибариони image­­­­, дадено с отношението:

                                                     imageimage

Тя е възникнала при температура Т ~ 1028 К, в момента t ~ 10-34s. Поради барионната асиметрия неанихилиралите бариони при разширението и охлаждането на вселената са послужили като елементарни частици, от които е образувано веществото в съвременната Вселена.

3.2)  Лептонна ера

Тази епоха обхваща интервал от време, през който равновесно се раждат и анихилират само лептоните (електрони, мюони, тау-лептони, неутрина, WIMPs) и техните античастици, с енергии: 940 MeV > kT > 0.5 MeV. Температурният итервал през този стадий е 1013 К > Т > 5 ґ 109 К, a времето, което обхваща е 10-6 s < t < 5 s.  В края на тази ера, лептоните прекратяват равновесните си процеси с излъчването. Реакциите са вече еднопосочни и водят до анихилация, продуцираща т.нар. реликтово неутрино, и от която, аналогично с адроните, остава лептонен излишък (електрони + CDM). Последният излишък (CDM) е значителен, но се проявява единствено като гравитационен фактор.

3.3)  Плазмена ера

Частиците в този eволюционен етап (5 s < t em style=""> 1011 s), имат енергии 0.5  MeV > kT > 1 eV, като характерната температура е в диапазона 5 ґ 109 К > Т > 104 К.  Всички видове частици вече са анихилирали, а споменатият барионен излишък е определил началния химичен състав на Вселената. В резултат на първичния нуклеосинтез, през първите три минути , при температура 5 ґ 109 К > Т >  109 К,  са образувани ядрата на водорода и хелия, като масовото съотношение е  1Н (75%) и 4Не (25%), с нищожни примеси от Li и Be. Следователно в равновесие с излъчването трябва да бъде радиативно доминирана плазма от пртони (Н-ядра), a-частици (Не-ядра) и електрони. Протичащите равновесни процеси са свободно-свободни преходи на електрони, йонизация и рекомбинация на споменатите ядра.

Описаните три етапа предвтавляват това, което наричаме епоха, доминирана от излъчването, или РДЕ.

За горна граница на РДЕ се приема Епохата на рекомбинация на водорода за време Δ t (1011-1013) s, съответстващо на z ≈ 1470 – 1500, мащабен фактор а ≈ 5 ґ 10-5 и температура Т ≈ 4000 К. При тези условия се отделя CMB, което възприема нехомогенностите на веществото, наследени от  флуктуациите на пространството в епохата на инфлация.

4) Епоха, доминирана от материята (MDE)

Този еволюционен етап настъпва след РДЕ, която завършва с отделяне на излъчването от веществото. От този момент нататък Вселената е доминирана от веществото: ρm =  ρB + ρNBDM, като ρr ρm, и е пренебрежима. От космологична гледна точка, в тази епоха (t > 1013 s) може да се говори само за температура на излъчването: 104 К > Тr > 3 К. Веществото и излъчването са разделени и еволюират самостоятелно. От барионите се образуват най-напред звезди, а след това – галактики и купове (+NBDM). CMB изстива (почервенява) само поради разширението на пространството, т.к. l ~ a(t)  ,  ( a ~ t^2/3)

5) Еволюция с тъмна енергия

Известната ни материя и нейните проявления не са единствения фактор влияещ на динамиката на пространство-времето. Нещо повече – тя далеч не е доминиращата енергетична съставка в етапа на развитие, в който се намира Вселената днес. Съществуват убедителни доказателства, че поведението и се диктува от обект, с все още неизяснена природа и с все по-нарастващо влияние върху нейната еволюция, а именно т.нар. “тъмна енергия”, или Λ-член.

Релативистки фридманови космологични уравнения с Λ-член :

imageimage

image                                              image                                                            

Това са две диференциални уравнения за неизвестните функции а(t) – радиус на пространствената кривина (мащабен фактор) и ρ(t) – масова (енергетична) плътност.

Λ-членът притежава нужните свойства за да бъде идентифициран с DE:

- той е хомогенен, с енергетична плътност във всяка точка uΛ = c4 Λ/8πG.

- неговото налягане е негативно w = -1 < -1/3 (Уравнението на състоянието е: P=wu)

- не излъчва и не поглъща радиация

- гравитира в космологичен мащаб

- след планковите стойности (ρp, tp), запазени в периода на инфлация, плътността на вакуума ρΛ е добила чрез фазов преход при t ~ 10-36 s, стойността ρΛ ≈ 5 ґ 10-30 g cm-3 ≈ 0, която се запазва и до днес, като при t0, ρΛ ~ ρco

Често вместо д се предпочита безразмерния параметър q, който е мярка за ускорението на мащабния фактор и има пряка връзка с параметрите на материята.    

                 W0/2 > WΛ, q > 0, д < 0  -  разширение със забавяне (deceleration)

                 W0/2 < WΛ, q < 0, д > 0  -  разширение с ускорение (acceleration)

                 W0/2 = WΛ, q = 0, д = 0  -  линейно разширение с д = const

Съгласно Новата космология W = 1, т.е. WΛ = 1 - W0 и следователно получаваме израз за q0 в плоска Вселена с гравитиращи материя + вакуум:

                                                    q0 = 2/3 W0 – 1.

В този случай ускорението зависи единствено от частта на материята W0, в общата енергетична плътност W = 1. В зависимост от W0,  имаме:

- за W0 = 2/3, q0 = 0, д = 0 и д = 0           – разширение без ускорение

- за W0 < 2/3, q0 < 0, д > 0                       – разширение с ускорение

- за W0 > 2/3, q0 image

В инфлексната точка аi,  д сменя знака си – от негативно става положително. Забавеното разширение се сменя с ускорително.

-         една епоха в миналото (t < ti), доминирана от материята със закон а ~ t2/3, (д < 0)

(гореща Вселена с фридманово разширение )

-         епоха, в която е валидно общото решение

         imageimage

-         една бъдеща епоха (t image

т.е. бъдеща инфлационна епоха с д ~ Н2а (експоненциално разширение)

           Да приложим тези теоретични резултати към конкретните данни в новата космология и WMAP. Съгласно последните: W0 ≈ 0.3, WΛ ≈ 0.7 и W ≈ 1, и получаваме ai = 0.60, съответната инфлексна точка ще има zi = 0.67 . Plionis (2002), чрез специано изведена формула за t = t(z) (смесена Вселена), получава ti = t0/1.84, което с t0 = 13.7 Gyr (WMAP), показва, че моментът, в който д е сменил знакът си е ti ≈ 7.4 Gyr. (Фиг.2 ) Стойността на ti означава физически, че около 7 ґ 109 yr, след инфлацията, вакуумът отново става доминантен и разширението на Вселената започва да се ускорява.

image

image

Фиг. 3  Вселена със смесено съдържание (EdS-модел на Айнщайн- Де Ситер)

 

Съдбата на Вселената

 Възможно е да се окаже, че нашата Вселена ще се разширява вечно, ако не се задейства друг механизъм. В слчуай на вечно разширение (по подобие на eternal inflation) с ускорение, мащабния фактор расте по-бързо от хоризонта на събитията, в резултат на което последния се свива с нарастване на времето (това се вижда от математическите зависимости на двата параметъра от времето). В такава Вселена галактиките ще изчезват една по една и тя ще се превърне в студено, тъмно и пусто място. Остава нерешен въпроса за еволюцията на разума и разумните цивилизации в такава система и дали този сценарий е толериран или не, в зависимодт от условията за развитие на разум, които той би създал.

Тази област на Космологията е добра свръзка между астрофизиката  и еволюционната биология, изследвщаата статистическто влияние и механзими, присъши и създавани от сложни биологчини многообразия и яхното (двустранно) взаимдойествие с околнтие им системи. Предполага се, че Вселена с Голям Срив в края на еволщционняи си път, би била по-адекватна за развитие на разум, вследствие на ентропичния и антропния принцип.

            Възможно е Вслеената да колапсира обратно (Big Crnuch, Големия Срив) до сингулярност, като това състояние ще бъде метстабилно за безкраен период от време, ако не се включи някакъв вид външна сила. Активно се раобти върху тази хипотеза и последващата Циклична Космология.

 



Тагове:   новата,


Гласувай:
0
0



Следващ постинг
Предишен постинг

Няма коментари
Търсене

За този блог
Автор: physnews
Категория: Технологии
Прочетен: 960434
Постинги: 56
Коментари: 443
Гласове: 1721
Спечели и ти от своя блог!
Архив
Календар
«  Февруари, 2020  
ПВСЧПСН
12
3456789
10111213141516
17181920212223
242526272829