Category: космос

Category was added automatically. Read all entries about "космос".

Умирающая Вселенная

  В связи с встречающимися в ЖЖ рассуждениями неспециалистов
на тему эволюции Вселенной решил выставить пересказ выводов из
попавшейся статьи специалистов. Ссылка:
Reviews of Modern Physics, 1997, 69(2), 337-372,
Fred C. Adams and Gregory Laughlin,
A dying universe: the long-term fate and evolution of
astrophysical objects.
  Ссылки на материалы в Интернете:

http://astro.berkeley.edu/~arons/Ay84/adams_fate.pdf
(полная версия - бесплатно; на prola.aps.org за её скачивание нужно
заплатить ~40$!)

http://arxiv.org/abs/astro-ph/9701131
http://arxiv.org/pdf/astro-ph/9701131v1
(предвар. или сокращ. версия - без рисунков и т.п.)

http://www.ur.umich.edu/9697/Jan21_97/artcl17.htm
(кратк. пересказ на англ. с деталями про авторов)

http://math.ucr.edu/home/baez/end.html
(John Baez - дополнения, уточнения, ссылки на более поздние работы)

(Конец ссылок)
  Прошу прощения за возможные ошибки, сырой перевод и т.п.
  Краткое содержание:
- Пересказ указанной статьи; выводы: ожидается смена эпох - эпоха
реликтового излучения, эпоха звёзд, эпоха вырожденных объектов, эпоха
распада протонов, эпоха испарения чёрных дыр.
- Уточнение: расширение не замедляется, а ускоряется; следствия.
- Ответы на типичные вопросы (из популярных статей).

(Начало пересказа).

I. Введение
(Сюда же переносим из раздела V про возможность схлопывания Вселенной)

  Предложено использовать логарифмический масштаб: η=lg(t/t0), t0 = 1 год;
нынешняя эпоха - η≈10.
  Существующие оценки плотности Вселенной (больше критической - схлопнется,
меньше - будет расширяться бесконечно) позволяют утверждать лишь, что
Вселенная доживёт до η≈10,8. Из однородности реликтового
излучения с точностью ~10-5 получается более оптимистическая
оценка предстоящего времени жизни Вселенной - η≈18. При этом
возможна ситуиация, что ограниченная горизонтом событий доступная нам
область имеет плотность меньше критической, но при расширении горизонта
событий она окажется больше критической.
  Дальнейшее зависит от плотности Вселенной, а при
критическом значении - от распределения неоднородностей: если под горизонт
событий вскоре войдут флуктуации средней плотности с
Δρ/ρ>1, Вселенная может схлопнуться при η~17,5, а если <<1 -
просуществовать до η>>100.
  Обсуждена инфляционная модель Вселенной, но там вроде
получаются лишь оценки для параметров самой модели.

II. Конец обычной звёздной эволюции.

  Описываются результаты моделирования эволюции звёзд. Отмечается, что звёзды
с массами >0,25 массы Солнца быстро исчерпывают запасы водорода и живут
недолго (~1010 лет). В частности, обсуждается судьба Солнца и
ЗемлиЮ за счёт превращения Солнца в красный гигант, роста его радиуса и
радиационного торможения вероятно падение Земли на Солнце, но нельзя
исключить сценарий без такого падения (за счёт потери значительной части
массы Солнца за счёт солнечного ветра). Звёзды меньших масс способны дожить
до η=12, при этом, поскольку таких взёзд большинство, светимость
галактик упадёт всего в несколько раз - до ~1010 светимости Солнца.
  Тем временем, поскольку возникающие из галактического газа новые звёзды
забирают водород, а возвращают более тяжёлые элементы, межзвёздная среда
постепенно обедняетыся первым и обогащается последними ("металлизация"). Это
может влиять на процесс звездообразования, в частности, приводя к появлению
"замороженных звёзд", в которых ядерных синтез не загорелся - соответственно
более долгоживущих.
  К моменту η=12..14 имевшийся в галактике газ для образования звёзд
исчерпывается, и звездообразование прекращается.
  В предположении, что до эпохи рекомбинации (η=5,5) образование
звёзд было невозможно, получется, что эпоха звёзд - это η=5,5..14 (ранее -
эпоха релкитового излучения); наша эпоха - посередине этого отрезка.
  В конце этой эпохи остаются коричневые и белые карлики,
нейтронные звёзды и чёрные дыры. Для карликов и нейтронных звёзд
оценено распределение по массам и доли объектов разных типов; вывод -
бо́льшая часть массы будет состредоточена в белых карликах, вклад
коричневых карликов и нейтронных звёзд - по несколько процентов (долю
чёрных дыр оценить проблематично, но предположительно она тоже невелика).

III. Смерть Галактики.

  Эпоху η=15..30 авторы называют "вырожденной эрой" ("degenerate era", в
смысле - эпоха вырожденных объектов). В эту эпоху доминируют два
конкурирующих процесса. Первый - за счёт диссипации (гравитационное
излучение, столкновения) масса концентрируется к центру, а угловой момент
передаётся объектам на периферии (результат такого процесса - Солнечная
система). Второй - за счёт бесстолкновительных процессов - часть объектов
приближается к центру, а часть уходит ("система испаряется"). Оценены
характерные времена. Для испарения галактики это η~19..20, но за счёт
небарионного гало срок может возрасти. При этом в кратных системах - для
плотных систем ожидается далнейшее сближение и падение друг на друга, для
разреженных - развал. Это отностится и к скоплениям галактик, в частности,
при η=10,2 ожидается сближение и возможное слияние Млечного пути и
Туманности Андромеды, но если с первого раза они и не сольются, при
η=11..12 местная группа галактик всё равно сольётся. Для падения к
центру за счёт гравитационного излучения получается η~24 (ожидается, что
бо́льшая часть звёзд улетит, и лишь меньшая - упадёт к центру). В
итоге в центре вероятен рост чёрной дыры.
  Даже при неучёте гравитационного излучения, за счёт случайных
столкновений центральная чёрная дыра поглотит неушедшие объекты к
η≈30. Для сверхскоплений галактик соответствующий срок - η≈33.
  За счёт столкновений коричневых карликов на этой стадии возмоно случайное
образование звёзд, за счёт столкновений белых карликов - случайные вспышки
сверхновых, а столкновения с участием нейтронных звёзд - ещё более
экзотические взрывы, как пишут авторы - впечатляющие и сегодня, но ещё более
зрелищные в холодную и лишённую мощи эпоху закончившей эволюцию галактики.
  Однако в эту эру есть ещё один источник высвечиваемой энергии, и, согласно
оценком авторов, именно он будет доминировать в эту эпоху. А именно,
наиболее вероятная форма тёмной материи - способные к слабому взаимодействию
массивные частицы (weakly interacting massive particles, WIMPs) с массами
10..100 ГэВ. Они могут реагировать с веществом белых карликов и т.п.,
приводя к нагреву последних и уходу энергии в виде фотонов за пределы
галактики. При этом масса гало будет теряться, что приведёт к ослаблению
притяжения на периферии галактики и ускорению её испарения на периферии (в
центральных областях эффект слаб). Оценка характерного времени поглощения
WIMP'ов - η≈25. Альтернатива - тёмная материя представляет собой
аксионы, распадающиеся на фотоны; для них оценка характерного времени -
η=32..47.
  В эту эпоху, когда температура белых карликов поддерживается за
счёт поглощения WIMP'ов, температура поверхности составит ~63К, а
полная светимост галактики будет близка к светимости Солнца (и
приходиться она будет в основном на ИК-область, λ~50 μм).

IV. Долгосрочная судьба вырожденных звездоподобных объектов.

  Испарившиеся из галактик объекты тоже не вечны. Коричневые и белые
карлики и нейтронные звёзды, как ожидается, будут распадаться за счёт
нестабильности нуклона, а чёрные дыры - за счёт хокинговского
излучения. Вначале рассмотрим нестабильность нуклона.
  В теориях Великого Объединения протон распадается с образованием
π0 (далее распадающегося на фотоны) и позитронаю нейтрон
- аналогично с нейтрино вместо позитронаю характерное время -
η=32..49.
  Итак, после исчерпания подогрева WIMP'ами основной источник нагрева белых
карликов - распад протонов. При этом за счёт распада растёт содержание более
лёгких ядер, и в конце остался бы практически лишь водород, но, согласно
оценкам, образующиеся при распаде протона нетермализованные фотоны могут
вызвать фотоотщеплениое нейтрона, присоединяющегося затем к другим ядрам, а
за счёт туннелирования при высокой плотности (пикноядерные реакции ) на
указанных временах возможно присоединение протона к ядрами вплоть до N, что
может поддерживать соотношение лёгких элементов, типичное для нормальных
звёзд.
  Наконец, после потери значительной части массы, во-первых, снимается
вырождение, и объект перестаёт быть белым карликом (вклад в энергию за счёт
заполнения электронами уровней в малом ящике перестаёт доминировать),
во-вторых, за счёт малого размера объект становится прозрачен для
собственного излучения. Первый процесс приводит к образованию вначале
внешних слоёв молекулярного водорода, окружающих вырожденное ядро, а затем и
полному исчезновению последнего. По оценкам, это происходит, когда объект по
массе становится близок к Юпитеру; при этом его светимость - ~10-27
солнечной, а эффективная температура поверхности - 0,0034K. Второй эффект
начинает проявляться при достижении размера астероида с массой
1024 г (из твёрдого водорода), при этом светимость -
~10-33 солнечной (~4 эрг/сек), а температура - ~10-3K.
Это происходит вблизи η=39.
  Для нейтронных звёзд ситуация аналогична, особенности - стадия снятия
нейтронного вырождения (начиная с верхних слоёв), бета-распад
нейтронов, расширение корки обычного вещества и превращение в белый карлик.
Промежуточно возникают нейтронные звёзды минимально возможной массы -
~1/10 солнечной - вряд ли существующие в нашу эпоху.
  Обсуждена возможность налагаемого в некоторых теориях запрета распада
одиночного протона при разрешённости синхронного распада двух протонов -
жизнь белых карликов и т.п. удлинняется до η~200, и возрастает роль
пикноядерных реакций.
  В случае чёрных дыр (ЧД) распад происходит за счёт излучения Хокинга
(чёрная дыра излучает как чёрное тело с температурой, обратно
пропорциональной массе чёрной дыры). Излучая, ЧД теряет массу, эффективная
температура растёт, с ней скорость потери массы - и это завершается взрывом.
Согласно оценкам, даже ЧД с массой галактики (~1011 масс Солнца)
испаряется к η=98. Т.о., к η=100 останутся в основном фотоны,
нейтрино и т.п.

V. Долгосрочная эволюция Вселенной.

  Отмечается, что в ходе каждой из эпох формируется доминирующее излучение
(реликтовое, звёзд, за счёт нагрева WIMP'ами, за счёт распада протонов, за
счёт испарения чёрных дыр)ю в дальнейшем каждый тип за счёт расширения
уходит в низкочастотную область и - кроме последнего - сменяются следующим.
Даны оценки зависимостей доли энергии этих излучений в общей энергии от η.
  Здесь же обсуждены сценарии инфлирующей Вселенной, возможности производства
энтропии (и совершения работы) на различных стадиах и т.п.

VI. Выводы и обсуждение.
(Повтор ранее изложенного).

Благодарности и ссылки.
(Ничего особенного).

(Конец пересказа).

Дополнение - пересказ заметки John'а Baez'а (2004 г.):

  Ранее обсуждалюось, схлопнется Вселенная или будет расширяться вечно;
но в конце 1990-х гг. обнаружилось, что расширение идёт с ускорением! В
связи с этим снова стала популярна предложенная Эйнштейном модель с
космологическим членом (см., напр.,
http://elementy.ru/trefil/21076
).
  Оказывается, что в такой модели температура определяется хокинговским
излучением горизонта событий и падает не до нуля, а - при существующей
оценке космологической постоянной - лишь до ~10-30K, тогда как
объём экспоненциально стренится к бесконечности. Т.о., любой составной
объект стремится диссоциировать - выигрыш в энтропии перевешивает выигрыш в
энергии. Это в равной мере относится к молекулам, атомам, ядрам и звёздам.
  Что касается чёрных дыр, то ЧД с массой ~1022 солнечных
масс (как наблюдаемая часть Вселенной) продолжила бы расти и при такой
температуре, но есть аргументы, что такие большие ЧД не образуются, а
меньшие - испарятся к η~99.
  Экспоненциальное расширение, по утверждению автора, будет
выводить частицы из космологического горизонта друг друга, лишая их
возможности взаимодействовать (выглядит как сверхсветовое разбегание -
неясно).
(Конец пересказа заметки Baez'а).
(Начало замечаний).
- Из критики ОТО интересны работы Шипова и Логунова. Насколько я
понял, у Шипова критически пересмотрены неявные предположения, лежащие в
основе ОТО, и основной вывод - что пространственно-временной континуум
следует рассматривать не просто как локально-лоренцево пространство, а по
аналогии, если не ошибаюсь, с клиффордовыми многообразиями (многообразие =
локально-эвклидово пространство, например, поверхность шара, поверхность
тора, проективное пространство (
http://andrey.eto-ya.com/projective-plane-smooth-realization
), бутылка Клейна и т.п.) следует снабдить его дополнительной структурой;
результат - отсутствующие в обычной ОТО волны кручения метрики. У Логунова
основная идея - что сингулярности в ОТО возникают за счёт неудачного выбора
покрывающих многообразие карт и отражают не реальность, а неудачный выбор
карт (как если бы для поверхности шара вместо карт приполярных областей
использовали лишь карты в проекциях на меридиональные плоскости, а полюса
объявили сингулярностями). Вроде ни те, ни другие не получили развития, а
идеи Логунова к тому же стали менее привлекательными в связи с обнаружением
чёрных дыр.
- Загадочным образом мы воспринимаем время не просто как координату -
по пространственным координатам мы можем двигаться туда-сюда, а по времени -
нас несёт, и нельзя ни вернуться, ни забежать вперёд. Но в ТО время отличается
от пространственных координат лишь знаком соответствующей компоненты
метрического тензора - никакого "несения по времени" там нет. Более того,
в ОТО метрический тензор может отклоняться от невозмущённых значений
настолько, что в неких областях пространства-времени времениподобными могут
стать не одна, а две или более координаты, или, наоборот, все координаты
могут стать пространственноподобными. Интересно, как чувствовали бы бег
времени (или времён) существа, живущие в областях, где времениподобными
являются две координаты.
- Вопрос, что было до Большого Взрыва, аналогичен вопросу, что находится
севернее Северного Полюса: если мы в надежде выяснить, что же там находится,
поплывём на север, достигнем полюса и продолжим плыть дальше - ... . Далее,
если мы смотрим проекцию земного шара на разрезанный и развёрнутый
обёртывающий цилиндр, у нас не вызывает удивления, что точки на западном и
восточном краях надо отождествить попарно (каждая пара - это на самом деле
одна точка), и аналогично надо отождествить друг с другом все точки на
северном краю (на самом деле это одна точка - Северный полюс) и аналогично
на южном. Так вот, если бы мы создали машину времени, решили проблемы
выживания при прохождении через сингулярность и отправились в прошлое
посмотреть, что было до Большого Взрыва - результат был бы аналогичен: мир
устроен так, что моменты времени -t и +t (до и после взрыва) следует
отождествить - на самом деле это один и тот же момент.
- "Большой Взрыв" - это не взрыв чего-то в имеющемся пространстве-времени,
а особая точка метрики пространства-времени.
(Конец замечаний).