Дальнее поле Хаббла — изображение внегалактического неба, выполненное из 276 снимков камеры Wide Field Planetary космического телескопа Хаббла. <...> Активные ядра галактик: сейфертовские галактики и квазары 48 2.10. <...> Свидетельство в пользу существования фазы «огненного шара» . <...> Эволюция флуктуаций плотности в фазе огненного шара . <...> Проблемы моделей, созданных в рамках общей теории относительности для Вселенной, рожденной в горячем Большом взрыве: решение, предлагаемое теорией инфляции . <...> Эволюция квазаров, активных ядер галактик и галактик с интенсивным звездообразованием. <...> Решающим фактором подобной схожести мыслей стало реликтовое излучение, открытое в 1965 году Пензиасом и Вильсоном. <...> Чтобы подчеркнуть это, я включил в книгу эпилог, где описаны двадцать противоречий современной космологии. <...> И все же космология продолжает пребывать в состоянии волнения и споров, так что ключевым разделом этой книги остается эпилог: «Двадцать противоречий современной космологии». <...> На сегодняшний день существует очень тесная связь между космологией и физикой частиц в ранней Вселенной и между космологией и астрофизикой в более зрелой Вселенной. <...> Современная космология сильно изменилась со времени ее возникновения, когда она была умозрительным математическим решением системы полевых уравнений общей теории относительности. <...> Это наша собственная Галактика — дискообразное средоточие сотни тысяч миллионов (1011) звезд, в котором мы сами обитаем вблизи периферии (см. рис. <...> Находящаяся на расстоянии двух миллионов световых лет, эта галактика почти как близнец напоминает нашу собственную, и плоскость ее диска расположена под углом к нашей линии зрения. <...> Мы оказываемся в облаке тысяч галактик — скоплении Девы — открытом Уильямом Гершелем (см. рис. <...> Млечный Путь состоит из объединенного света более далеких звезд в диске. б) Звездные источники, главным образом красные гиганты (видимые в инфракрасном диапазоне с помощью инфракрасного астрономического <...>
Космология.pdf
УДК 524.8
ББК 22.632.9
Р 796
Интернет-магазин
http://shop.rcd.ru
• физика
• математика
• биология
• нефтегаз о вые
т ехноло гии
Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований по проекту
№07-02-07051.
Роуэн-РобинсонМ.
Космология. — М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»,
Институт компьютерных исследований, 2008. — 256 с.
Данная книга представляет собой классическое введение в космологию. Особое
внимание уделяется наблюдательной астрономии. Первые главы книги посвящены
изучению видимой части Вселенной, нашей Галактики и других галактик.
Строится эмпирическая база для космологической теории. В последующих главах
рассматривается модель Большого взрыва и процесс образования галактик. Завершает
книгу обсуждение альтернативных теорий. Представлены космологические тесты.
Отличительной
особенностью предлагаемого издания является доступность
изложения, а также анализ новейших результатов, полученных с зонда WMAP, который
последние пять лет собирал информацию об «эхе» Большого взрыва в микроволновом
фоновом излучении космоса.
ISBN 978-5-93972-659-7
ББК 22.632.9
Michael Rowan–Robinson 1977, 1981, 1996, 2004 Cosmology 4e was originally published in
English in 2003. This translation is published by arrangement with Oxford University Press.
Майкл Роуэн–Робинсон 1977, 1981, 1996, 2004. Космология 4-е изд. Оригинальное издание
опубликовано на английском языке в 2003 году. Русскоязычное издание публикуется по
соглашению с издательством Oxford University Press.
Oxford University Press, 2004
c
c
НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008
http://shop.rcd.ru
http://ics.org.ru
Стр.5
Оглавление
Предисловие к первому изданию .. ... .. ... .. .. ... .. ix
Предисловие ко второму изданию . ... .. ... .. .. ... .. xi
Предисловие к третьему изданию . ... .. ... .. .. ... .. xii
Предисловие к четвертому изданию ... .. ... .. .. ... .. xiv
Благодарности ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. xv
ГЛАВА 1. Видимая Вселенная . . . ... .. ... .. .. ... .. 1
1.1. Введение .... .... ... .... .... .... ... .... 1
1.2. Частицы .... .... ... .... .... .... ... .... 2
1.3. Спектр электромагнитных волн . . .... .... ... .... 5
1.4. Астрономия в отсутствие света .. .... .... ... .... 12
1.5. Механизмы излучения ... .... .... .... ... .... 15
1.6. Методики наблюдений на разных частотах .... ... .... 22
1.7. Самые яркие источники ... .... .... .... ... .... 23
1.8. Подсчет источников .. ... .... .... .... ... .... 23
1.9. Объединенное фоновое излучение . .... .... ... .... 23
1.10. Задачи .. .... .... ... .... .... .... ... .... 25
ГЛАВА 2. Наша Галактика и другие галактики .. .. .. .
. .
. 27
2.1. Введение .... .... ... .... .... .... ... .... 27
2.2. Звездообразование и межзвездная среда . .... ... .... 27
2.3. Эволюция звезды ... ... .... .... .... ... .... 28
2.4. Заключительные этапы жизни звезды: белые карлики, нейтронные
звезды и черные дыры .. .... .... ... .... 30
2.5. История нашей Галактики . .... .... .... ... .... 33
2.6. Строение и эволюция галактик ... .... .... ... .... 39
2.7. Галактики с интенсивным звездообразованием . . ... .... 40
2.8. Радиоизлучение галактик .. .... .... .... ... .... 43
2.9. Активные ядра галактик: сейфертовские галактики и квазары 48
2.10. Рентгеновское излучение галактик и квазаров .. ... .... 51
2.11. Скопление галактик .. ... .... .... .... ... .... 52
2.12. Задачи .. .... .... ... .... .... .... ... .... 55
Стр.6
vi
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 3. Эмпирическая основа космологических теорий .. .. 56
3.1. Введение .... .... ... .... .... .... ... .... 56
3.2. Шкала расстояний . . . . . . .... .... .... ... .... 56
3.3. Красное смещение ... ... .... .... .... ... .... 61
3.4. Изотропность . .... ... .... .... .... ... .... 64
3.5. Однородность . .... ... .... .... .... ... .... 71
3.6. Парадокс Ольберса .. ... .... .... .... ... .... 73
3.7. Свидетельство в пользу конечного возраста Вселенной .... 75
3.8. Свидетельство в пользу существования фазы «огненного шара»
.... .... .... ... .... .... .... ... .... 75
3.9. Задачи .. .... .... ... .... .... .... ... .... 76
ГЛАВА 4. Модели Большого взрыва .. .. ... .. .. ... .. 77
4.1. Субстрат и фундаментальные наблюдатели .... ... .... 77
4.2. Космологический принцип . .... .... .... ... .... 77
4.3. Космология Ньютона . ... .... .... .... ... .... 79
4.4. Специальная и общая теории относительности . ... .... 84
4.5. Космология в рамках общей теории относительности . .... 89
4.6. Классификация космологических моделей, в которых Λ=0 .92
4.7. Классификация моделей, в которых Λ =0 .... ... .... 96
4.8. Космологические параметры .... .... .... ... .... 99
4.9. Возраст Вселенной . . ... .... .... .... ... .... 102
4.10. Горизонт .... .... ... .... .... .... ... .... 105
4.11. Задачи . . .... .... ... .... .... .... ... .... 106
ГЛАВА 5. Начальные этапы Большого взрыва .. .. .. .
. .
. 108
5.1. Вселенная, содержащая вещество и излучение .. ... .... 108
5.2. Фаза огненного шара . ... .... .... .... ... .... 111
5.3. Образование гелия ... ... .... .... .... ... .... 118
5.4. Очень ранняя Вселенная . . .... .... .... ... .... 124
5.5. Изотропность реликтового излучения ... .... ... .... 127
5.6. Эволюция флуктуаций плотности в фазе огненного шара . . . 132
5.7. Искажения спектра реликтового излучения .... ... .... 134
5.8. Задачи .. .... .... ... .... .... .... ... .... 135
ГЛАВА 6. От фазы огненного шара к современности .. ... .. 137
6.1. До образования галактик .. .... .... .... ... .... 137
6.2. Эпоха образования галактик и их скоплений ... ... .... 141
6.3. Межгалактический газ в скоплениях галактик . . ... .... 143
6.4. Массы галактик и их скоплений . . .... .... ... .... 145
6.5. Средняя плотность вещества во Вселенной, обусловленная
галактиками . . .... ... .... .... .... ... .... 149
Стр.7
ОГЛАВЛЕНИЕ
vii
6.6. Недостающее барионное вещество .... .... ... .... 150
6.7. Межгалактический газ (и газ внутри скоплений) . . . . .... 154
6.8. Небарионная темная материя .... .... .... ... .... 156
6.9. Задачи .. .... .... ... .... .... .... ... .... 157
ГЛАВА 7. Наблюдательная космология . . . ... .. .. ... .. 159
7.1. Введение .... .... ... .... .... .... ... .... 159
7.2. Теория Ньютона .... ... .... .... .... ... .... 159
7.3. Космология в рамках специальной теории относительности:
модель Милна . .... ... .... .... .... ... .... 160
7.4. Космология в рамках общей теории относительности: красное
смещение . .... ... .... .... .... ... .... 162
7.5. Горизонт .... .... ... .... .... .... ... .... 165
7.6. Фотометрическое расстояние .... .... .... ... .... 166
7.7. К-поправка ... .... ... .... .... .... ... .... 168
7.8. Угловой диаметр .... ... .... .... .... ... .... 172
7.9. Подсчет источников .. ... .... .... .... ... .... 174
7.10. Проверка с помощью соотношения светимость–объем .... 181
7.11. Объединенное фоновое излучение . .... .... ... .... 182
7.12. Задачи .. .... .... ... .... .... .... ... .... 187
ГЛАВА 8. Другие космологические теории . ... .. .. ... .. 189
8.1. Введение .... .... ... .... .... .... ... .... 189
8.2. Проблемы моделей, созданных в рамках общей теории относительности
для Вселенной, рожденной в горячем Большом
взрыве: решение, предлагаемое теорией инфляции .. .... 189
8.3. Начальная сингулярность . . .... .... .... ... .... 192
8.4. Космология устойчивого состояния .... .... ... .... 192
8.5. Теории, в которых G изменяется во времени ... ... .... 194
8.6. Анизотропные и неоднородные вселенные, хаотическая космология
. .... .... ... .... .... .... ... .... 196
8.7. Теории Великого объединения и суперсимметрия ... .... 198
8.8. Магические числа Эддингтона ... .... .... ... .... 199
8.9. Задачи .. .... .... ... .... .... .... ... .... 200
Эпилог: двадцать противоречий современной космологии .. .. 202
1. Общая теория относительности .... .... .... ... .... 202
2. Квантовая гравитация и начальная сингулярность . . ... .... 204
3. Происхождение движения Местной группы галактик
относительно микроволнового фона .... .... ... .... 205
4. Изотропность Вселенной . ... .... .... .... ... .... 206
5. Проблема плоскостности и значение Ω0 ... .... ... .... 207
Стр.8
viii
ОГЛАВЛЕНИЕ
6. Проблема горизонта и инфляция ... .... .... ... .... 208
7. Космологическая постоянная Λ .... .... .... ... .... 209
8. Постоянная Хаббла и возраст Вселенной ... .... ... .... 209
9. Однородность и структура Вселенной на больших расстояниях . 210
10. Топология Вселенной . . ... .... .... .... ... .... 211
11. Антивещество . . .... ... .... .... .... ... .... 211
12. Первичные гелий и дейтерий . .... .... .... ... .... 212
13. Образование галактик .. ... .... .... .... ... .... 213
14. Существует ли межгалактическая среда? .. .... ... .... 214
15. Темная материя . .... ... .... .... .... ... .... 215
16. Эволюция квазаров, активных ядер галактик и галактик
с интенсивным звездообразованием.... .... ... .... 215
17. Природа рентгеновского и гамма- фонового излучения . .... 216
18. Вспышки гамма-излучения .. .... .... .... ... .... 216
19. Проблема солнечных нейтрино .... .... .... ... .... 217
20. Жизнь во Вселенной ... ... .... .... .... ... .... 217
Ответы на задачи . . . ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 219
Для дальнейшего чтения .. .. .. ... .. ... .. .. ... .. 221
Словарь специальных терминов .. ... .. ... .. .. ... .. 223
Физические постоянные и коэффициенты преобразования .. .. 230
Предметный указатель ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 232
Именной указатель .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 238
Стр.9