Барионные акустические колебания (БАК)

Барионные акустические колебания (БАК) — это регулярные, периодические колебания плотности барионов (обычной материи) в ранней Вселенной, которые возникли в результате взаимодействия между фотонами (частицами света) и барионами в горячей плазме, существовавшей вскоре после Большого взрыва.

История и происхождение

После Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии горячей и плотной плазмы, состоящей из фотонов, электронов и барионов (таких как протоны и нейтроны). В это время фотоны находились в плотном взаимодействии с электронами, создавая состояние, известное как фотонно-барионная плазма. В этой плазме существовали акустические волны — колебания плотности, вызванные гравитационным притяжением материи, с одной стороны, и радиационным давлением фотонов, с другой.

Процесс формирования Барионных Акустических Колебаний

Флуктуации плотности: В начальной Вселенной небольшие квантовые флуктуации плотности привели к образованию областей с более высокой плотностью материи. Под действием силы гравитации эти области начали сжиматься.
Противодействие радиации: В то же время фотоны в плазме оказывали давление, пытаясь расширить эти плотные области. Это привело к возникновению акустических волн — периодических колебаний плотности, которые распространялись в плазме, подобно звуковым волнам в газе.
Рекомбинация и отделение: Спустя примерно 380,000 лет после Большого взрыва, температура Вселенной снизилась до такой степени, что фотоны больше не могли поддерживать ионизацию атомов водорода, и произошло так называемое рекомбинация. В этот момент фотоны перестали активно взаимодействовать с электронами и начали свободно распространяться по Вселенной (этот процесс также известен как поверхность последнего рассеяния, что мы сегодня наблюдаем как космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ)).

При рекомбинации взаимодействие между барионами и фотонами ослабло, акустические волны затухли, и оставшиеся осцилляции плотности барионов «замерли» на месте. В результате этого процесса образовались области с чуть большей плотностью барионов, которые стали своего рода «звуковыми» следами на космологическом ландшафте.
Отпечаток в распределении галактик: Эти колебания плотности впоследствии стали местами, где с большей вероятностью образовались галактики и крупномасштабные структуры Вселенной. Таким образом, барионные акустические колебания оставили своеобразный отпечаток в распределении галактик по Вселенной. Расстояние, на котором наиболее вероятно образование галактик вследствие БАК, примерно соответствует 150 мегапарсек (около 490 миллионов световых лет).

Современные наблюдения и значение БАК

Барионные акустические колебания можно наблюдать как пик в функции корреляции, описывающей вероятность того, что две галактики находятся на определённом расстоянии друг от друга. Этот пик соответствует масштабу, на котором акустические волны, затухшие после рекомбинации, замерли.

Основные инструменты и данные для изучения БАК включают в себя:

Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ): Измерения анизотропий КМФИ, такие как те, что сделаны спутниками WMAP и Planck, позволяют определить первичные флуктуации плотности и акустические пики.
Обзоры галактик: Наблюдательные проекты, такие как Sloan Digital Sky Survey (SDSS) и BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), картографируют распределение галактик на больших масштабах и измеряют корреляции в их распределении, выявляя следы БАК.

Значение БАК в космологии

Космологическая шкала расстояний: БАК служат «стандартной линейкой» для измерения космологических расстояний. Определяя угловой размер структуры БАК и зная её физический размер, можно оценить расстояние до различных галактических объектов.
Определение кривизны Вселенной: Измерения БАК позволяют уточнять кривизну Вселенной и её пространственно-временную геометрию, а также помогают оценить скорость расширения Вселенной.
Тёмная энергия и тёмная материя: Анализируя, как БАК влияют на распределение материи в зависимости от времени, можно сделать выводы о свойствах тёмной энергии и тёмной материи, которые составляют значительную часть энергии-материи в современной Вселенной.
Проверка космологических моделей: Современные измерения БАК согласуются с теоретическими моделями, такими как Лямбда-CDM модель, и служат важным подтверждением правильности понимания современной космологии.

Заключение

Барионные акустические колебания представляют собой фундаментальный инструмент в космологии для изучения ранней Вселенной и эволюции её крупномасштабных структур. Благодаря их свойству служить космологической «линейкой», БАК являются ключевым элементом в наших попытках понять расширение Вселенной и природу тёмной энергии.

Барионные акустические колебания (БАК) — это регулярные, периодические колебания плотности барионов (обычной материи) в ранней Вселенной, которые возникли в результате взаимодействия между фотонами (частицами света) и барионами в горячей плазме, существовавшей вскоре после Большого взрыва. История и происхождение После Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии горячей и плотной плазмы, состоящей из фотонов, электронов и барионов (таких как протоны и нейтроны). В это время фотоны находились в плотном взаимодействии с электронами, создавая состояние, известное как фотонно-барионная плазма. В этой плазме существовали акустические волны — колебания плотности, вызванные гравитационным притяжением материи, с одной стороны, и радиационным давлением фотонов, с другой. Процесс формирования Барионных Акустических Колебаний Флуктуации плотности: В начальной Вселенной небольшие квантовые флуктуации плотности привели к образованию областей с более высокой плотностью материи. Под действием силы гравитации эти области начали сжиматься. Противодействие радиации: В то же время фотоны в плазме оказывали давление, пытаясь расширить эти плотные области. Это привело к возникновению акустических волн — периодических колебаний плотности, которые распространялись в плазме, подобно звуковым волнам в газе. Рекомбинация и отделение: Спустя примерно 380,000 лет после Большого взрыва, температура Вселенной снизилась до такой степени, что фотоны больше не могли поддерживать ионизацию атомов водорода, и произошло так называемое рекомбинация. В этот момент фотоны перестали активно взаимодействовать с электронами и начали свободно распространяться по Вселенной (этот процесс также известен как поверхность последнего рассеяния, что мы сегодня наблюдаем как космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ)). При рекомбинации взаимодействие между барионами и фотонами ослабло, акустические волны затухли, и оставшиеся осцилляции плотности барионов «замерли» на месте. В результате этого процесса образовались области с чуть большей плотностью барионов, которые стали своего рода «звуковыми» следами на космологическом ландшафте. Отпечаток в распределении галактик: Эти колебания плотности впоследствии стали местами, где с большей вероятностью образовались галактики и крупномасштабные структуры Вселенной. Таким образом, барионные акустические колебания оставили своеобразный отпечаток в распределении галактик по Вселенной. Расстояние, на котором наиболее вероятно образование галактик вследствие БАК, примерно соответствует 150 мегапарсек (около 490 миллионов световых лет). Современные наблюдения и значение БАК Барионные акустические колебания можно наблюдать как пик в функции корреляции, описывающей вероятность того, что две галактики находятся на определённом расстоянии друг от друга. Этот пик соответствует масштабу, на котором акустические волны, затухшие после рекомбинации, замерли. Основные инструменты и данные для изучения БАК включают в себя: Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ): Измерения анизотропий КМФИ, такие как те, что сделаны спутниками WMAP и Planck, позволяют определить первичные флуктуации плотности и акустические пики. Обзоры галактик: Наблюдательные проекты, такие как Sloan Digital Sky Survey (SDSS) и BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), картографируют распределение галактик на больших масштабах и измеряют корреляции в их распределении, выявляя следы БАК. Значение БАК в космологии Космологическая шкала расстояний: БАК служат «стандартной линейкой» для измерения космологических расстояний. Определяя угловой размер структуры БАК и зная её физический размер, можно оценить расстояние до различных галактических объектов. Определение кривизны Вселенной: Измерения БАК позволяют уточнять кривизну Вселенной и её пространственно-временную геометрию, а также помогают оценить скорость расширения Вселенной. Тёмная энергия и тёмная материя: Анализируя, как БАК влияют на распределение материи в зависимости от времени, можно сделать выводы о свойствах тёмной энергии и тёмной материи, которые составляют значительную часть энергии-материи в современной Вселенной. Проверка космологических моделей: Современные измерения БАК согласуются с теоретическими моделями, такими как Лямбда-CDM модель, и служат важным подтверждением правильности понимания современной космологии. Заключение Барионные акустические колебания представляют собой фундаментальный инструмент в космологии для изучения ранней Вселенной и эволюции её крупномасштабных структур. Благодаря их свойству служить космологической «линейкой», БАК являются ключевым элементом в наших попытках понять расширение Вселенной и природу тёмной энергии.

Понравилась статья? Поделись с друзьями!