Влияние эволюции Вселенной на динамику частиц в центральном гравитационном поле

• Автор: Зорин, Андрей Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с.

Предисловие

1. Космологическая теория возмущений

в гамильтоновом формализме

1.1 Космическая эволюция как коллективное движение метрики

в ОТО

1.2 Теория гравитации в кинеметрическом базисе

1.3 Гамильтоново описание космической эволюции в ОТО

1.4 Космологическая теория возмущений в гамильтоновом формализме

1.5 Центральное гравитационное поле как компонента метрики

в теории возмущений

1.6 Абсолютное и относительное движение

в полевом пространстве
2. Космическая эволюция в конформной теории гравитации
2.1 Конформно-инвариантная теория гравитации
2.2 Космическая эволюция в конформной теории гравитации
2.3 Конформные переменные
2.4 Уравнения Фридмана как усредненные по объему
локальные уравнения
2.5 Стандартная модель в режиме ранней Вселенной
2.6 Конформные величины как способ анализа астрофизических наблюдательных данных
2.7 Модели эволюции Вселенной
2.8 Космологические данные по сверхновым
3. Космическая эволюция галактик
3.1 Свободное движение в конформно-плоской метрике
3.2 Центральное гравитационное поле как компонента метрики
в случае эволюции Вселенной
3.3 Движение пробной частицы в центральном поле
3.4 Задача Кеплера — Ньютона в конформной теории
(точное решение в нерелятивистском пределе)

3.5 Захват частицы центральным полем
вследствие космической эволюции
3.6 Проблема «Темной материи»
3.7 Зависимость ротационных кривых в спиральных галактиках
3.8 Граница применимости ньютоновского описания
4. Анизотропия пекулярных скоростей в Местной группе
4.1 Местный объем
4.2 Анизотропия пекулярных скоростей
5. Крупномасштабная структура Вселенной
5.1 Периодизация красного смещения галактик
5.2 Квантование красного смещения квазаров
5.3 Крупномасштабная структура
5.4 Задача Кеплера — Ньютона
в гравитационном поле типа Шварцшильда
5.5 Возможное объяснение крупномасштабной периодичности
Заключение
Приложения
A. Расщепление пространства—времени
B. Теория гравитации в терминах форм Картана аффинной группы
C. Метод Леви—Чивита
Б. Явный вид некоторых уравнений
Е. Релятивистская струна как пример
конформно-инвариантной теории
Литература

Предисловие
Актуальность темы. Выводы современной космологии о конечном времени существования наблюдаемой Вселенной и ее эволюции являются фундаментальными и подтверждаются:
1) зависимостью красных смещений спектральных линий атомов на космических объектах от их расстояния до Земли, предсказанной Фридманом и др. [1-9] и обнаруженной Хабблом [10];
2) распределением химических элементов во Вселенной, которое свидетельствует о ничтожно малом вкладе видимой барионной материи (около 3%) в космическую эволюцию [11];
3) реликтовым излучением с температурой 2,7 К, оставшимся после отделения вещества от радиации при красных смещениях г ~ 1100 [12].
В дополнение к перечисленным фактам существует ряд наблюдаемых эффектов (например, такие, как зависимость циркулярных скоростей в галактиках и их кластерах [24], данные по Суперновым с большими красными смещениями г ~ 1, г =1,7 [13-15]), которые не описываются в рамках классических теорий и, на сегодняшний день, которые принято считать следствиями существования форм материи, природа которых отлична от непосредственно наблюдаемых форм материи. 70% такой неизвестной материи составляет вещество с отрицательным давлением (то есть вещество, для которого отношение давления к его плотности энергии меньше нуля и которое называют темной энергией или квинтэссенцией [16-18]). Идея квинтэссенции непосредственно возникла как возможное объяснение чрезвычайной малости современного значения космологической постоянной в инфляционной космологической модели [19-22]. Почти 30% плотности энергии составляет неизвестная массивная материя, существование которой предлагается для объяснения зависимости скоростей вращения в галактиках и их скоплениях [23-30].
Все перечисленные данные интерпретируются как свидетельства расширяющейся Вселенной [22], уравнения эволюции которой во фридманов-ской космологии [1-3] определяются в основном так называемым Л-членом в действии Эйнштейна. В работах [31-41] развивалась альтернативная интерпретация эволюции Вселенной как эволюции масс частиц без введения Л-члена. Это означает введение относительного эталона измерения длин, когда все измеряемые величины отождествляются с конформными величи-

у Солнца, т.е. 1 или, возможно, 2 или 3. С приближением к краю видимого диска по мере уменьшения светимости значение М/L увеличивается до 10 или 20. За пределами видимого диска, где светимость падает почти до нуля, а масса остается высокой, среднее отношение М/L стремительно возрастает до нескольких сотен, но никогда не превышает критического значения 700, необходимого, чтобы наблюдаемая Вселенная была замкнутой. Самое высокое из найденных значений близко к критическому, но не превышает его. Некоторые исследователи усматривают особый смысл в том, что полученные значения М/L стремятся к критическому.
Прежде чем пытаться определить, из чего же состоит невидимая корона, стоит выяснить, у каких небесных объектов значение М/L достаточно велико. Разумеется, звезды типа нашего Солнца сразу же следует исключить. Горячие молодые звезды, очерчивающие спиральные рукава галактик, — еще менее подходящие «кандидаты»: у них отношение M/L = 1(Г4. Старые красные звезды-карлики, населяющие центральное вздутие и внешние области Галактик, обладают низкой массой и низкой светимостью в голубой области спектра, но их отношение М/L ~ 20 мало для короны. Кроме того, корона, состоящая из таких тусклых звезд, «выдавала» бы себя, так как сильно излучала бы в инфракрасной области спектра. Все попытки обнаружить корону по ее излучению в видимой, инфракрасной, радио- и рентгеновской областях спектра оказались безуспешными. Итак, единственное, что требуется от короны, — это присутствие холодного несветящегося вещества с подходящим отношением M/L в любой форме — от нейтрино до черных дыр.
Вывод о том, что распределение поверхностной яркости не является надежным индикатором распределения массы, осложняет исследования, связанные с огромными расстояниями и колоссальными временными масштабами. Неизвестно, какая доля массы спиральных галактик, а также скоплений галактик недоступна наблюдателям. Трудно сказать, являются ли области, лишенные галактик, просто пустотами или в них есть несветя-щееся вещество. Чтобы решить эту проблему, астрономам придется разработать новые остроумные методы наблюдений, а физикам — определить свойства экзотических форм материи. Только тогда удастся установить природу вездесущего невидимого вещества, измерить полные размеры и массы галактик и предсказать будущее наблюдаемой Вселенной.