о
с:
О
и О
»аздо легче по Доплера эффекту ≈ смещению линий "в их спектрах в красную сторону (см. Красное смещение]. Относит, изменение длины волны линий в спектре
обозначают z:
(7)
478
Здесь ^0 ≈ лаб. длина волны линии спектра, К ≈ длина волны смещ╦нной линии. Наибольшее измеренное значение z у квазаров составляет 4,75 (на 1989). При небольших значениях z (з^0,5) для определения космологии, расстояний I пользуются простой ф-лои / ≈ =<?£///(, {Мпк) (см. Хаббла закон). Значение Нп известно с неопредел╦нностью в два раза: Я0=(50≈100) км/(с-Мпк). Соответствующее значение критич. плотности pt, ≈(5≈20) -10~30 г/см3. Величина 1/Я0 соответствует времени t0 (с точностью до порядка величины), прошедшему с момента сингулярности. Эта величина, наз. возрастом Вселенной, составляет (10≈20) X XlOft лет. Сигнал, идущий со скоростью света с и вышедший в момент сингулярности, успевает за время t пройти конечное расстояние ~ct (в моделях Фридмана с обычным ур-нием состояния вещества и Л≈0). Сфера с радиусом ct и центром в точке наблюдения наз. го-ризонтом частицы. Она ограничивает область, доступную в принципе наблюдению в момент t.
Ещ╦ большие трудности имеются в определении плотности р0. Достаточно хорошо известна усредн╦нная по всему пространству плотность вещества, входящего в галактики: ргал«3-10"31 г/см3, Йгал« (1,5≈6)-10~2. Газ, пыль и др. вещество между галактиками вносит малый вклад в ср. плотность вещества. Галактики собраны в группы и скопления разных масштабов, образуя ячеисто-сетчатую крупномасштабную структуру с характерным размером практически пустых областей порядка 30≈35 Мпк. Характерное расстояние (корреляц. масштаб) между скоплениями галактик составляет 25≈50 Мпк, а между крупнейшими сверхскоплениями 100≈300 Мпк.
Астрофизик, наблюдения определ╦нно показывают, что помимо светящегося вещества во Вселенной имеется большое кол-во трудно наблюдаемой несветящейся материи. Е╦ наз, скрытой массой. Проявляется она только своим тяготением. Скрытая масса, сосредоточенная в скоплениях галактик, оказывается часто в десятки раз больше массы светящегося вещества зв╦зд этих скоплений. Оценки усредн╦нной плотности скрытой массы дают значение £2сгм.«0,2≈0,7. Возможно, есть скрытая масса и между скоплениями галактик. Тогда не исключено, что полная плотность скрытой
массы Вселенной QC,CM. близка к единице. Т. о., пока Нельзя сказать с уверенностью, является ли наша Вселенная открытой (Й<1) или замкнутой (&>!)< физ. природа скрытой массы неясна. Частично эта масса может быть обусловлена слабосветящимися звездами или др. трудно наблюдаемыми небесными телами. Однако вероятнее, что скрытая масса является совокупностью большого числа элементарных частиц, обладающих массой покоя и слабо взаимодействующих с обычным веществом.
Наблюдательная К., помимо определения Я0, р0 и характера распределения материй в пространстве, призвана решать и мн. др. задачи, в первую очередь выявление таких свойств сегодняшней Вселенной, к-рые непосредственно отражают физику процессов, происходивших: в начале космологич. расширения.
Важнейшее значение имеет открытие и исследование реликтового излучения (РИ), оставшегося от первонач. этапа расширения Вселенной, РИ имеет одинаковую интенсивность от всех участков неба и равновесный ьланковский спектр (в исследованном интервале длин волн 0,1≈21 см), соответствующий темп-ре 7^3 К. Интенсивность РИ в разных направлениях практически одинакова (флуктуации темп-ры РИ &Т/Т для участков небесной сферы с размерами от неск. угл, минут до десятков градусов не превышают 10~4). Отсутствие
заметных флуктуации интенсивности РИ в больших угл. масштабах свидетельствует о высокой степени однородности Вселенной во вс╦м доступном наблюдению объ╦ме. Обнаружена слабая дипольная анизотропия РИ, вызванная доплеровским эффектом из-за движения Солнечной системы .по отношению к РИ со скоростью ок. 400 км/с в направлении созвездия Льва.
Др. важной для К. наблюдательной информацией является космнч. распростран╦нность хим. элементов, Наиб, распростран╦н во Вселенной водород 1Н, на долю к-рого приходится примерно 75% общей массы Вещества, доля гелия 4Не составляет 25%, примесь др. элементов незначительна.
Хнм, элементы тяжелее гелия образуются, по совр. представлениям, на разных этапах эволюции зв╦зд, Гелий также образуется в зв╦здах, однако установлено, что столь большое кол-во гелия заведомо не могло быть произведено в зв╦здах за вс╦ время существовании Галактики. Т. о., водород и гелий должпы иметь космологич. происхождение (см. Нуклеосинтез]. Они являются результатом ядерных реакций, происходивших в начале расширении Вселенной. Важное значение для К. имеет распростран╦нность дейтерия 2Ы, несмотря на малую долю к веществе Вселенной (жЗ'10~ь по массе). Дело в том, что дейтерий не может в заметных кол-вах синтезироваться в зв╦здах (он быстро выгорает) и, следовательно, имеет космологич. происхождение.
4. Физика процессов в расширяющейся Вселенной
Наличие РИ прямо свидетельствует о том, что в дал╦ком прошлом, в начале расширения Вселенной, темп-pa была весьма велика. Действительно, в ходе адиабатич. расширения темп-pa РИ уменьшается по закону Г^Д-1. Поэтому при .Й-э-Q Т1-*-». Физику процессов в этих условиях описывает горячей Вселенной теория. Согласно этой теории, при Г-^1013 К в термодинамич. равновесии с фотонами находились барионы, мезоны, мюоны, электроны, нейтрино и античастицы всех этих частиц. С понижением темп-ры в ходе расширения Вселенной аннигилировали тяж╦лые частицы и античастицы, передавая свою энергию более л╦гким частицам (см. Аннигиляция). По прошествии неск. десятков секунд во Вселенной остались фотоны, примерно такое же кол-во нейтрино всех сортов и, возможно, какие-то другие слабо взаимодействующие с веществом частицы, существование к-рьа предполагает теория. Помимо этого во Вселенной имелась небольшая примесь барионов (протонов и нейтронов), для к-рых, как предполагают, не нашлось партн╦ров-античастиц, чтобы проаннигилировать. Это объясняется тем, что в очень горячен Вселенной имелся небольшой избыток барионов над антибарионами. Число барионов в единице объ╦ма составляет ~ 10~* от числа фотонов. Присутствуют также электроны в кол-ве, равном числу протонов (они обеспечивают электронейтральность вещества}. Для нейтрино Вселенная в это время уже прозрачна. Имевшиеся на этот момент нейтрино остаются во Вселенной навечно. Эти, т. н, реликтовые, нейтрино, подобно реликтовым фотонам, из-за космологич. расширения постепенно теряют энергию («нейтринное морс» охлаждается).
Важные физ. процессы происходят при расширении Вселенной сбарионами. При временах i<l с с момента сингулярности протоны и нейтроны быстро превращаются друг в друга из-за взаимодействия с электронами, позитронами, электронными нейтрино н антинейтрино. При t порядка иеск. секунд эти реакции прекращаются из-за понижения темп-ры. В это время доля нейтронов составляет ок. 0,15 от всего вещества. Наконец, по прошествии неск. минут становится возможным образование сложных атомных ядер. Нейтроны, объединяясь с протонами, образуют гл. обр. ядра 4Не, В результате гелий составляет ок. 25% по массе, ок. 75% по массе ≈ протоны (Н), примесь др.
