Сергей Парновский - Как работает Вселенная - Введение в современную космологию

На карте распределения температуры реликтового излучения на рис. 3.1 можно найти область с температурой приблизительно на 70 мкК ниже средней температуры реликтового излучения. Она расположена в южной небесной полусфере в созвездии Эридана и имеет угловой радиус около 5°. Кроме того, она получила название «реликтовое холодное пятно» или «сверхпустота Эридана» и собственную статью в Википедии. Явление это интересное, заслуживающее изучения, но явно не ошеломляющее или требующее пересмотра парадигм и теорий. Его можно объяснить, например, влиянием гигантской пустоты (войда) или сверхпустоты (супервойда) на пути реликтового излучения через хорошо известный механизм взаимодействия реликтового излучения с гравитирующей материей, предложенный Райнером Саксом и Артуром Вольфом. Но это скучно и банально, никакой романтики. Зато профессор Университета Северной Каролины Лаура Мерсини-Хафтон считает: «Стандартная космология не может объяснить природу такой гигантской космической дыры… это явный отпечаток другой вселенной за краем нашей». Остается только узнать, где край нашей Вселенной и как именно отпечаталась другая, не наша вселенная.

Как бы то ни было, если и есть что-то с названием «сверхпустота Эридана», то это можно начинать не только обсуждать, но и бояться. Писать в СМИ статьи «Сверхпустота Эридана и угроза человечеству», устраивать круглые столы и магические обряды по деэриданизации, т. е. нейтрализации вредного влияния роковой сверхпустоты. Люди любят бояться, и это прекрасно используют не только авторы фильмов ужасов.

Вопрос: В настоящее время температура реликтового излучения составляет 2,725 K. Чему она равнялась в предыдущие эпохи?

Ответ: Планковский спектр зависит от произведения длины волны и температуры. Длины волн излучения расширяются вместе с Вселенной, а его температура, соответственно, падает. Каждая эпоха характеризуется своим значением z-фактора. С эпохи, соответствующей определенному значению z-фактора, длина волны увеличилась в 1 + z раз, а температура, соответственно, уменьшилась во столько же раз. Значит, температура в определенную эпоху равнялась 2,725 × (1 + z) К. На эпоху рекомбинации, для которой получаем температуру 2967 K.

В этом разделе мы рассмотрим расширение ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва, что соответствует очень малым значениям r или масштабного фактора.

Мы можем пренебречь членом А по сравнению с гораздо большим значением 8πGB/2r в (2.12) и получить

Естественно, это полностью согласуется с уравнением (2.19). Затратив некоторые усилия, можно убедиться, что более сложные уравнения (2.20) и (2,21) также имеют подобное асимптотическое поведение при u → ∞.

Таким образом, сразу после Большого взрыва Вселенная расширялась по закону r ~ t2/3 для каждого из трех возможных сценариев. Постоянная Хаббла началась с бесконечно большого значения и уменьшалась по закону H = 2/3t. В открытой и плоской моделях H всегда положительна и стремится к нулю при больших t. В замкнутой модели постоянная Хаббла становится равной нулю в некоторой точке, и расширение сменяется сжатием Вселенной. Все кончается Большим хрустом через конечный промежуток времени от Большого взрыва. Перед Большим хрустом постоянная Хаббла стремится к –∞. Мы видим, что эволюция ранней Вселенной практически одинакова для всех возможных сценариев.

Космологический горизонт описывает максимально большое расстояние до астрономических объектов, которые мы можем увидеть на небе или получить от них какую-либо информацию любыми способами, включая гравитационные и электромагнитные волны или потоки каких-либо частиц. Любые сигналы от более удаленных объектов не могут достигнуть Земли за время существования Вселенной. Существование космологического горизонта является результатом комбинации двух факторов, а именно конечности скорости света и существования Большого взрыва.

Надо понимать, что чем дальше от нас находится объект, тем дольше от него идет свет и тем на более ранней стадии существования мы его наблюдаем. Таким образом, наиболее далекие из принципиально наблюдаемых объектов должны были испустить свет в момент рождения Вселенной. Этот свет шел бы до нас 13,8 млрд лет, однако из-за расширения Вселенной эти объекты находятся не на расстоянии 13,8 млрд св. лет, а на расстоянии втрое большем, т. е. около 40 млрд св. лет. Соответствующий расчет приведен в разделе 3.5. Более далекие объекты просто не видны, они находятся за космологическим горизонтом – границей видимой части Вселенной. Если на объектах, лежащих за космологическим горизонтом, существует наблюдатель, то он также не может получить информацию от нас. Это – еще одно решение парадокса Ольберса: мы можем наблюдать свет только от объектов в видимой части Вселенной с конечным, хотя и очень большим числом звезд.