Долго ж я откладывал написать последнюю часть ликбеза про реликтовое излучение и космологическую модель. Коротко о том, что мы узнали в прошлых частях:
Часть 1: после открытия в 1929 г. Эдвином Хабблом отдаления от нас галактик, была выдвинута гипотеза о расширяющейся Вселенной — она не бесконечная во времени (у нее было начало), в прошлом она должна была быть очень маленькой, очень плотной и очень горячей. Часть 2: основываясь на новой гипотезе, ученые посчитали какие условия были в ранней Вселенной. Они предположили что свет не мог свободно перемещаться по пространству, а постоянно поглощался и переизлучаться веществом. В процессе расширения Вселенная остыла и свет наконец был свободен, унеся в пространство информацию о веществе. Часть 3: этот свет был впервые зафиксирован в 1960-х гг. и был назван «реликтовым излучением» — карта его распределения на небе показана на рис.1. Часть 4: за последние 30 лет космические телескопы WMAP и Planck детально изучили свойства «реликта», в особенности его спектр мощности, в котором скрыта вся информация о фундаментальных параметрах Вселенной!
Вернемся к нашему спектру мощности.
Для описания всего в этой Вселенной можно придумать какую-нибудь математическую функцию f(x). Например, можно придумать функцию, описывающую видимую карту неоднородностей в карте «реликта» (рис.1). Мягко говоря, ее будет очень сложно описать. Однако, есть в нашем арсенале т.н. преобразование Фурье, позволяющее описать любую сложную функцию как сумму волновых функций (например, синусоида sin(x) ) — гораздо более простых для описания (рис. 2). Такое преобразование применимо и к карте «реликта» (там надо все это еще перенести в сферические координаты, но не будем об этом) — см.рис. 3.
Математически, мы получим «простую» зависимость: величина (или мощность) неоднородностей в карте «реликта» в зависимости от длины волны l условной синусоиды, являющейся частью сложной функции. Эта длина волны с другой стороны связана с масштабом на небе. Если «реликт» — это футбольное поле и мы измерияем различие в длине травинок, то при больших значениях l мы смотрим насколько неоднородна длина травы в среднем на всем поле, а при малых l мы рассматриваем насколько отличается длина каждой соседней травинки. Именно эта математическая зависимость — угловой спектр мощности «реликта» — показана на рис.4.
Вернемся во время когда Вселенная представляла из себя горячий плотный суп из барионов (электроны+протоны/нейтроны) и фотонов.
Хотя лучше подумаем о манной каше. Каша эта хоть и была вроде бы однородна, но были места с большей плотностью (всеми нелюбимые в детстве комочки), где на барионы сильнее действовала гравитация, пытаясь их сжать. С другой стороны, гравитации противостояло давление от фотонов, которые не очень любят быть сжатыми. Происходили бесконечные колебания туда-сюда, рождавшие т.н. «барионные акустические осциляции» (по сути, звуковые волны), бегающие по пространству. В тот момент, когда «реликтовые» фотоны смогли убежать от вещества (когда Вселенной было ~380,000 лет), все эти осциляции оказались «вморожены» в неоднородности реликтового излучения, которые мы теперь изучаем с помощью спектра мощности.
Первый пик соответствует областям ранней Вселенной, которые изначально обладали большей, чем средняя, плотностью, достигнув ее максимума в момент отделения «реликтовых» фотонов. Размер этих областей зависел от скорости, с которой барионные осциляции могли путешестовать в ранней Вселенной (больше скорость - больше размер). В космологии этот размер называется «sound horizon» и его можно посчитать независимо от «реликта». Можно посчитать каким стал размер этих областей на карте «реликта» в наше время из-за расширения Вселенной, что напрямую позволяет вычислить кривизну Вселенной. Путь, который «реликтовые» фотоны проделали до нас зависит от кривизны/геометрии пространства. И первый пик будет сдвигаться влево-вправо в зависимости от значения последних. Из наших данных выходимт что Вселенная плоская.. (не говорите сторонникам «плоской Земли»).
[продолжение через пару часов]