Новости науки 31.05.01. Отголоски шума ранней Вселенной в пространственном распределении галактик

Без преувеличения можно сказать, что в последние годы изучение реликтового микроволнового фона и его угловых флуктуаций принесло наибольшее количество блестящих результатов в космологии. Прошел всего лишь год после публикации результатов превосходных балонных экспериментов astro-ph/0104419) и astro-ph/0104489). Эти эксперименты однозначно показали, что пространственные сечения нашей Вселенной имеют топологию почти плоского Евклидова пространства (ограничения на радиус кривизны порядка размера современного горизонта), а основная доля энергии во Вселенной сосредоточена в Темной Энергии (космологической постоянной или квинтэссенции), эффективно создающей антигравитацию и определяющей ускоренное расширение Вселенной в современную эпоху. Ускоренное расширение Вселенной независимо установлено по измерению блеска далеких сверхновых типа Ia, которые можно считать источниками постоянной мощности (стандартные свечи) (см. недавнюю заметку С.И.Блинникова на этом сайте).

В конце мая появилась очень интересная работа Криса Миллера, Роберта Нихола (Университет Карнеги Меллон, Питтсбург, США) и Дэвида Батуски (Университет Мэйн, Ороно, США) (будет опубликована в журнале Сайенс, см. astro-ph/0105423), в которой изучаются осцилляции в крупномасштабном распределении галактик. Мотивация работы проста. Согласно модели горячей Вселенной, мы наблюдаем флуктуации температуры реликтового фона, которые есть просто "отпечаток" акустических колебаний первичной плазмы в эпоху рекомбинации, которой соответствует красное смещение z @ 1000 (примерно 500000 лет после начала расширения). Колебания плазмы в свою очередь вызваны первичными квантово-механическими флуктуациями, которые неизбежно должны присутствовать на очень ранней (квантово-гравитационной) стадии эволюции Вселенной. До эпохи рекомбинации вещество находилось в состоянии, представляющем собой смесь фотонов, электронейтральной водородно-гелиевой плазмы и темного вещества. Под действием гравитационной неустойчивости области повышенной плотности стремились сжиматься, но давление фотонов было столь велико, что в плазме возникали акустические колебания (как в обычной сплошной среде). Именно эти акустические осцилляции (их еще называют Сахаровскими осцилляциями, в честь А.Д.Сахарова, впервые теоретически предсказавшего их существование в 1965 г.) и наблюдаются в угловом спектре реликтовых флуктуаций, измеренном в указанных выше экспериментах.

Рост возмущений, приведший к образованию наблюдаемых структур во Вселенной (галактик и скоплений галактик), начался только после эпохи рекомбинации в "холодном" нейтральном веществе, прозрачном для излучения, в котором давление фотонов перестало играть существенную роль. Поскольку вещество и излучение до эпохи рекомбинации было тесно "сцеплено" между собой из-за Томсоновского рассеяния фотонов на свободных электронах плазмы, "портрет" осцилляций должен был бы быть запечатлен в колебаниях плотности вещества, которые впоследствии и создали наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной. Заметим, что нужно брать достаточно большие масштабы - более 50 Мпк, так как в меньших масштабах осцилляции плотности просто "замыты" локальными движениями галактик и скоплений.

Миллер, Нихол и Батуски проанализировали пространственный спектр флуктуаций распределения галактик и скоплений галактик по данным нескольких каталогов, данные в которых позволяют достаточно полно описать структуру до размеров областей с размерами в гигапарсек. Было обнаружено, что спектр пространственных флуктуаций наблюдаемой плотности вещества в нашу эпоху (на красных смещениях порядка 0.1) ясно свидетельствует о колебаниях, и более того, из этих данных был восстановлен спектр этих колебаний (зависимость от масштаба). Результат приведен на рисунке (правая часть).

Далее авторы взяли стандартную космологическую модель и определили, при каких параметрах должна получаться такая картина крупномасштабных флуктуаций плотности. Эти параметры (полная плотность вещества в единицах критической плотности,

W_mh²=0.12(+0.02,-0.03), плотность барионного вещества в единицах критической плотности, W_bh²=0.029(+0.011,-0.015), и показатель наклона пространственного спектра первичных флуктуаций n_s=1.08(+0.17,-0.20), находятся в отличном согласии с независимыми определениями из других данных. Единственный важный параметр, который не определяется из флуктуаций плотности - вклад в полную плотность энергии вакуума (темной энергии, космологической постоянной или квинтэссенции), W_vac. Но его можно взять из независимых наблюдений современной динамики расширения Вселенной по сверхновым типа Ia, согласно которым W_vac@0.8.

Таким образом, наблюдения крупномасштабной структуры на красных смещениях z ~ 0.1 в сочетании с данными о динамике расширения Вселенной на z ~ 0.1 позволяют восстановить, каким должен был бы быть "портрет" акустических колебаний плазмы в эпоху рекомбинации на z ~ 1000! Результат - см. левую часть Рисунка, на котором приведен измеренный спектр угловых флуктуаций реликтового излучения - просто поразителен: сплошная кривая не является наилучшим описанием наблюдательных данных, она получена теоретически из стандартной космологической модели горячей Вселенной с приведенными выше параметрами.

Обращает на себя внимание факт наличия второго и третьего пика в спектре угловых осцилляций, однозначно подтверждающих современные представления об изначальной фазовой скоррелированности флуктуаций. Это могло быть только если в очень ранней Вселенной существовала эпоха очень быстрого (квази-экспоненциального) расширения (модель инфляционной Вселенной).

перейти к началу страницы