Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
А. Г. Дорошкевич, И. Д. Новиков, Средняя плот- ность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии, Докл. АН СССР, 1964, том 154, номер 4, 809–811
Использование Общероссийского математического портала Math- Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и согласны с пользователь- ским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement Параметры загрузки:
IP: 139.59.245.186
5 ноября 2022 г., 18:55:23
Д о к л а д ы А к а д е м и и н а у к СССР
1964. Том 154, № 4
АСТРОНОМИЯ
А. Г. ДОРОШКЕВИЧ, И. Д. НОВИКОВ
СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕТАГАЛАКТИКЕ И НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ к о с м о л о г и и
(Представлено академиком Я- В. Зельдовичем 11 X 1963)
Работа посвящена расчету средней плотности электромагнитного излу
чения в Метагалактике и его спектрального распределения. Сравнение рас
четов с наблюдениями может дать сведения по ряду важных вопросов космо
логии и астрофизики. Во-первых, это позволит определить характер эволю
ции галактик и оценить значение основных параметров космологических теорий. Во-вторых, можно будет получить сведения о состоянии веще
ства на ранних этапах расширения Метагалактики. Наконец, данные о плотности излучения в Метагалактике важны для анализа возможных про
цессов, протекающих в межзвездном и межгалактическом пространстве.
Если бы галактики всегда светили с одинаковой интенсивностью, не имели бы относительных скоростей и заполняли бы конечный объем в пустом эвклидовом пространстве, то наблюдаемая плотность излучения отличалась бы от плотности энергии у поверхности источников на фактор диллюции (разжижения) — долю поверхности небесной сферы, занимаемую источни
ками. Спектральное распределение энергии было бы таким же, как у источ
ников.
В действительности на принимаемый спектр влияют такие факторы, как разбегание галактик, эволюция их светимости, отличие метрики пространст
ва от эвклидовой, присутствие диффузной материи в межгалактическом про
странстве.
Настоящий расчет проведен на основе фридмановской космологической модели. Вычисления проведены аналогично Мак-Витти (*). Для постоянной Хэббла #0 принято значение 100 км/сек-Мпс (2). В соответствии с этим зна
чением Я0 исправлены данные Оорта (3) для отношения масса/светимость галактик MIL и плотности излучающей материи (галактики) рг Для этих величин принято \MIL = 28 Me/Le и pL = 5-10"3 1 г/см3. Расчеты проведены в следующих вариантах предположений о средней плотности р и уравнении состояния материи в Метагалактике:
1) Основная доля массы Метагалактики сосредоточена в галактиках:
р = = 5 - Ю- 3 1 г/см3. Уравнение состояния Р = 0.
2) Предполагается большое количество межгалактического вещества (газ; пыль; возможно, трудно наблюдаемые объекты). Средняя плотность равна критической рк = ЗЯ^/8ях: р = р = 1,86-10~2 9 г/см3. Уравнение состояния Р = 0.
3) Предполагается присутствие в Метагалактике большого количества нейтрино, р = рк = 1,86-Ю- 2 9 г/см3. Уравнение состояния Р = рс2/3.
Работа сделана в предположении о полной прозрачности межгалактиче
ской среды. Наличие только рассеивающей диффузной материи ничего не меняет в изотропном поле излучения. Возможное влияние поглощения света межгалактической пылью с последующим переизлучением его в других ча
стотах будет исследовано в другой работе.
Если галактики образовывались не раньше эпохи, когда р было порядка 10~2 6 г/см3, то взаимная экранировка галактик пренебрежимо мало влияет на
5 Заказ 2935 Q n Q
а г 6
- - 0
результаты расчета. Наконец, возможные отклонения в распределении ве
щества от строго однородного, существенно влияющие, как это показал Я. Б. Зельдович, на яркость отдельных далеких галактик, не сказываются на значении средней плотности излучения.
Анализ наблюдательных данных об относительном распределении галак
тик разных типов и составе звездного населения в них (4,5) показывает, что распределение энергии в спектре излучения единицы объема Метагалактики можно аппроксимировать в оптичес
кой и инфракрасной области
\ суммой двух планковских кривых с температурой 7 \ =
= 10 000° К (I тип звездного населения) и Г2 = 5000° К (II тип звездного населения) и с равной интегральной интен
сивностью в настоящее время.
В радиообласти излучение га
лактик определяется нетеп
ловыми процессами. Его спектр имеет вид dE =
= Av~°>9dv. Величина А мо
жет быть рассчитана по дан
ным Броуна (6). Учитывалось радиоизлучение только нор
мальных галактик.
В настоящее время нет на
дежных данных об эволюции галактик. Здесь будут приве
дены результаты расчетов при следующих вариантах пред
положений об эволюции све
тимости галактик:
1) Галактики светят с мо
мента, когда среднее расстоя
ние между ними / было в | 1 0 раз меньше современного^, т. е. х = IIQ = 6,1." Свети
мость галактик постоянна.
2) Галактики светят с мо
мента, когда х = 0,1. Свети
мость I типа звездного насе
ления (7\ = 10 000° К) эволю
ционирует по закону L =
Рис. 1. Спектр
= 5-10~3 1 г/см3,
Метагалактики. А — р = 9 L = р = 0; Б — р = рк = 1,8бх X Ю ~2 9г / с м3, Р = 0 ; Б — р = рк= 1 , 8 6 . 1 0 "2 9г / с м3, Р = р с2/ 3 ; а — в предположении 1) об эволюции свечения галактик (см. текст); б — в предположе
нии 2); в — в предположении 3); г — в предположе
нии отсутствия движения галактик и их эволюции;
галактики равномерно заполняют сферу радиуса с/Но в пустом эвклидовом пространстве; д — рав
новесное планковское излучение с Т = 1° К- Крес
тики — экспериментальные точки
=
L
0x°>
me
Q>
6x.
Светимость II типа звездного населения постоянна.
3) Галактики светят с мо
мента, когда х = 0,3. Свети
мость галактик постоянна.
Изменение со временем ин
тенсивности радиоизлучения предполагалось таким же, как и для светимости I типа звездного населе
ния для всех трех вариантов.
На рис. 1 приведены некоторые из расчетных спектров Метагалактики.
Видно влияние эволюции светимости галактик, момента возникновения
810
галактик и закона расширения Метагалактики. Подробный анализ влияния этих факторов на принимаемый спектр излучения Метагалактики будет дан в другой работе. Следует отметить, однако, что измерения в узком интер
вале частот не позволяют сделать выбор между принятыми моделями.
Необходимы измерения по всему спектру. Можно отметить как наиболее интересные области частот 5 -101 0 5 -101 1 гц и 101 3 -ч- 5 -101 4 гц. В первой области существенно сказывается влияние закона расширения Метагалак
тики, тогда как во второй области силь
нее влияет эволюция светимости галактик.
Экспериментально внегалактическая со
ставляющая свечения неба изучена плохо.
Только в фотографической области Вокуле- ром (7) сделаны оценки на основе подсче
тов галактик Хабблом (8). Полученное им значение (— 2,2 - Ю- 2 0 эрг/см2 -гц -сек -стер, при экстраполяции подсчетов на 8т) хо
рошо согласуется с рассчитанным нами (0,7-т-2,4) - Ш- 2 0 эрг/см2 -гц -сек -стер. Зави
симость наблюдаемой плотности потока энергии в фотографической области от красного смещения галактик по данным(7,9) также согласуется с расчетом (рис. 2). Это
показывает, что сделанные предположения о спектре излучения единицы объема Ме
тагалактики близки к действительности.
На вид спектра при v < 5 -101 1 гц ре
шающее влияние имеет эволюция светимо
сти галактик в радиодиапазоне, которая известна плохо. По данным (1 0, и) , (при v = 108 гц яркостная температура внегалактической составляю
щей свечения неба 100—200° К, что соответствует потоку (4,5 - г - 9) -10"1 9 эрг/см2-гц-сек-стер. Расчеты дают (0,24 ч - 2) -10"2 0 эрг/см2-гц-сек-стер.
Различие, вероятно, обусловлено сильной ролью эволюционного эффекта.
Измерения в области частот 109 -ч- 5 -101 0 гц весьма существенны для экспериментальной проверки теории Гамова (1 2). Астрономические следст
вия этой теории подробно анализируются в работе Зельдовича (1 з). Согласно теории Гамова, в настоящее время должно наблюдаться равновесное планков- ское излучение с температурой 1 ~ 10° К . На рис. 1 В нанесена кривая при Т = Г К. Измерения (1 4) на частоте v = 2,4 -109 гц дают температуру 2,3 ± 0,2° К, что совпадает с теоретически рассчитанными шумами атмо
сферы (2,4° К). Дополнительные измерения в этой области (желательно на ИСЗ) помогут окончательно решить вопрос о справедливости теории Гамо
ва.
Авторы выражают глубокую признательность проф. С. Б. Пикельнеру за ценные указания и акад. Я. Б. Зельдовичу за многочисленные обсужде
ния работы.
Поступило И X 1963 Рис. 2. Зависимость плотности по
тока энергии Метагалактики в фо
тообласти от красного смещения.
По оси ординат отложена доля от общего потока, даваемая галакти
ками с vo/v меньше данного (vo и v — принимаемая и излучаемая частоты соответственно). Кривая рассчитана в предположении 1) об эволюции светимости. Кружки —
данные наблюдений
Ц И Т И Р О В А Н Н А Я Л И Т Е Р А Т У Р А
1 G. С. M c V i t t i e , Phys. Rev., 1 2 8 , 2 8 7 1 (1962). 2 \ S а п d a g е, Problems of Extra-Galactic Research, N. Y., 1962, p. 359. 3 J . H . О о r t, La structure et r e v o l u tion de I'Univers, Brussels, 1958. 4 E. H o l m b e r g , Medd. Lund. Observ., 136 (1958).
5 Ю. П. П с к о в с к и й, Астр, ж у р н . , 38, 521 (1961). 6 R. B r o w n . Problems of Extra*
Galactic Research, N. Y., 1962, p . 79. 7 G. de V a u с о u 1 e u r s, Ann. d'Astrophys., 12, 162 (1949). 8 E. H a b b 1 e, Astrophys. J . , 84, 534 (1936). 9 Г. М а к - В и т т и , Об
щая теория относительности и космология, И Л , 1961. 1 0 И. С. Ш к л о в с к и й , Кос
мическое радиоизлучение, М., 1956. 1 1 J . В о 1 d w i n, Observatory, 175, 229 (1955).
3 2 G. G a m o w , Rev. Mod. P h y s . , 2 1 , 367 (1949). 1 3 Я. Б . З е л ь д о в и ч , Атомная энергия, 14, 92 (1963). 1 4 E. A. O h m , Bell Syst. Techn. J . , 40, 1065 (1961). D e G r a s- s e et al., J . Appl. P h y s . , 30, 2013 (1959).
