Предыдущая часть

Часть 1: Наблюдения глобальных параметров
Часть 2: Однородность и изотропия; Разные расстояния; Масштабный коэффициент
Часть 3: Пространственная кривизна; Плоскость-возрастность; Горизонт
Часть 4: Инфляция; Анизотропия и неоднородность
Библиография

ЧЗВ | Наставления : Часть 4 | Часть 1 | Часть 2 | Часть 3 | Возраст | Расстояния | Библиография | Относительность

Inflation

Инфляционный сценарий, разработанный Старобинским и Гусом, приносит решение проблеме f-o и проблеме горизонта. Инфляционный сценарий вводит плотность энергии вакуума . Мы обычно думаем, что вакуум пустой и безмассовый, и мы можем определить, что плотность вакуума меньше 1e-30 г/см^3 теперь. Но в квантой теории поля, вакуум не пустой, а скорее заполнен виртуальными частицами:

Virtual pairs in space-time diagram

Диаграмма пространства-времени выше показывает виртуальные пары частица-античастица из ничего, затем они анигилируют обратно в ничто. Для частиц массы m, можно ожидать около одной виртуальной частицы в каждом кубическом объеме со стороной равной комптоновской длиневолны этой частицы, h/mc, где h постоянная Планка. Таким образом ожидаемая плотность вакуума равна rho = m4*c3/h3, которая довольно большая. Для самой большой массы элементарной частицы обычно рассматриваемой, планковская масса M определяется 2*pi*G*M2 = h*c, эта плотность равна 2е91 г/см^3. Таким образом плотность энергии вакуума по крайней мере на 121 порядок величины меньше наивных квантовых оценок, так что должен работать очень эффективный механизм подавления. Если малая остаточная плотность энергии существует сейчас, это должно приводить к "космологической константе", которая является одним предложенным механизмом, способным разрешить неувязку между с возрастом Вселенной в модели с Omegao=1, to = (2/3)/Ho = 10 Глет, и явным возрастом самых старых шаровых скоплений 16+/-4 Глет. Плотность энергии вакуума может сделать это, так как она создает "отталкивающую гравитацию", которая заставляет расширение Вселенной ускоряться и ускоряться, и это увеличивает to для данного Ho.

Инфляционный сценарий пердполагает, что энергия вакуума была очень большой в течение краткого периода раньше в истории Вселенной. Когда во Вселенной доминирует плотность энергии вакуума масштабный коэффициент растет экспоненциально, a(t) = exp(H(to-t)). Постоянная Хаббла реально константа в течение этой эпохи, так что она не требует "нолика". Если эпоха инфляции продолжалась достаточно долго, експоненциальная функция станет очень большой. Это делает a(t) очень большым и таким образом, радиус кривизны Вселенной очень большим. Диаграмма ниже показывает наш горизонт наложенный на сферу очень бoльшого радиуса вверху, или меньшую сферу внизу. Так как только мы можем видеть до нашего горизонта, для случая инфляции на верху сфера большого радиуса выглядит почти плоской для нас.

Horizon on large and small spheres

Это решает проблему f-o пока экспоненциальный рост в течение инфляционной эпохи продолжается для по крайней мере 100 удвоений. Инфляция также решает проблему горизонта, так как световой конус будущего для события, которое происходит до инфляции, расширится до гигантской области из-за роста в течение инфляции.
Inflationary space-time diagram

Эта диаграмма пространства-время показывает инфляционную эпоху, окрашенную зеленым цветом, и световые конусы будущего двух событий -- красным. Раннее событие имеет световой конус будущего, который покрывает гигантскую область, которая может легко включить весь наш горизонт. Таким образом мы можем объяснить, почему температура КМФ так однородна по небу.

Детали: крупно-масштабная структура и анизотропия

Конечно Вселенная не является действительно однородной, так как она содержит плотные области подобные галактикам и людям. Эти плотные области должны влиять на КМФ. Sachs и Wolfe (1967, ApJ, 147, 73) установили эффект возмущений гравпотенциала на КМФ. Гравпотенциал, phi = -GM/r, будет отрицательным в плотных глыбах, и положительным в менее плотных областях. Фотоны теряют энергию, когда они проникают через стенки гравпотенциала:

Sachs-Wolfe effect conformal space-time diagram

Это конформная диаграмма пространства-времени выше показывает глыбы как серые вертикальные линии, эпоху до рекомбинации как заштрихованную область и гравпотенциал как цветовую кривую phi(x). Когда световой конус нашего прошлого пересекает поверхность рекомбинации, мы видим, что температура искажается как dT/T = phi/(3*c2). Sachs and Wolfe predicted temperature fluctuations dT/T as large as 1 percent, but we know now that the Universe is far more homogeneous than Sachs and Wolfe thought. So observers worked for years to get enough sensitivity to see the temperature differences around the sky. The first anisotropy to be detected was the dipole anisotropy by Conklin in 1969:
Dipole anisotropy

The map above is from COBE and is much better than Conklin's 2 standard deviation detection. The red part of the sky is hotter by (v/c)*To, while the blue part of the sky is colder by (v/c)*To, where the inferred velocity is v = 370 km/sec. This is how we measure the velocity of the Solar System relative to the observable Universe. It was another 23 years before the anisotropy predicted by Sachs and Wolfe was detected by Smoot \etal in 1992. The amplitude was 1 part in 100,000 instead of 1 part in 100:
COBE No dipole, no galaxy map

The map above shows cosmic anisotropy (and detector noise) after the dipole pattern and the radiation from the Milky Way have been subtracted out. The anisotropy in this map has an RMS value of 30 microK, and if it is converted into a gravitational potential using Sachs and Wolfe's result and that potential is then expressed as a height assuming a constant acceleration of gravity equal to the gravity on the Earth, we get a height of twice the distance from the Earth to the Sun. The "mountains and valleys" of the Universe are really quite large.

Inflation predicts a certain statistical pattern in the anisotropy. The quantum fluctuations normally effect very small regions of space, but the huge exponential expansion during the inflationary epoch makes these tiny regions observable.

Inflation generating equal power on all scales

The space-time diagram on the left above shows the future lightcones of quantum fluctuation events. The top of this diagram is really a volume which intersects our past lightcone making the sky. The future lightcones of events become circles on the sky. Events early in the inflationary epoch make large circles on the sky, as shown in the bottom map on the right. Later events make smaller circles as shown in the middle map, but there are more of them so the sky coverage is the same as before. Even later events make many small circles which again give the same sky coverage as seen on the top map.
COBE vs Equal power on all scales

The pattern formed by adding all of the effects from events of all ages is known as "equal power on all scales", and it agrees with the COBE data.

Having found that the observed pattern of anisotropy is consistent with inflation, we can also ask whether the amplitude implies gravitational forces large enough to produce the observed clustering of galaxies.

phi(x) to clustering conformal space-time diagram

The conformal space-time diagram above shows the phi(x) at recombination determined by COBE's dT data, and the worldlines of galaxies which are perturbed by the gravitational forces produced by the gradient of the potential. Matter flows "downhill" away from peaks of the potential (red spots on the COBE map), producing voids in the current distribution of galaxies, while valleys in the potential (blue spots) are where the clusters of galaxies form.

COBE was not able to see spots as small as clusters or even superclusters of galaxies, but if we use "equal power on all scales" to extrapolate the COBE data to smaller scales, we find that the gravitational forces are large enough to produce the observed clustering, but only if these forces are not opposed by other forces. If the all the matter in the Universe is made out of the ordinary chemical elements, then there was a very effective opposing force before recombination, because the free electrons which are now bound into atoms were very effective at scattering the photons of the cosmic background. We can therefore conclude that most of the matter in the Universe is "dark matter" that does not emit, absorb or scatter light. This strange conclusion will be greatly strengthened by temperature anisotropy data at smaller angular scales which will be provided by the Microwave Anisotropy Probe (MAP) in the year 2000.

Ned Wright's home page

ЧЗВ | Наставления : Часть 3 | Часть 1 | Часть 2 | Часть 3 | Возраст | Расстояния | Библиография | Относительность

© 1996-1998 Edward L. Wright. Last modified 7-Dec-1998