первичные флуктуации

ПЕРВИЧНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ (первичные возмущения) в ранней Вселенной - малые отклонения Вселенной от точной однородности и изотропии на радиац--доминиров. стадии. Радиац--доминированной (горячей) наз. стадия, когда осн. вклад в полную плотность энергии материи вносили ультрарелятивистские частицы - фотоны эл--магн. излучения с темп-рой Т = (2,75 0,1) х (1 + z)К (см. Микроволновое фоновое излучение ),а также нейтрино и др. возможные элементарные частицы с массой покоя т k Т/с² [z - красное смещение ,1 + z = R(t₀)/R(t), где R(t) - масштабный фактор расширяющейся Вселенной, t₀ - настоящий момент времени; на этой стадии R(t)~]. В стандартной модели с Фридмана - Робертсона - Уокера метрикой Вселенная является радиац--доминированной при z > 10⁴ (Н/50)², где Н - постоянная Хаббла в км/(с-Мпк), - отношение полной плотности энергии всех ультрарелятивистских частиц к плотности энергии реликтового эл--магн. излучения в настоящее время (~ 1).
Для того чтобы совместить очевидную сильную неоднородность Вселенной в масштабах, меньших 10(Н/50)^-1 Мпк (где вещество сконцентрировано в таких объектах, как галактики, звёзды, планеты и т.д.), с наблюдат. фактом её однородности и изотропии в больших масштабах, необходимо принять, что на радиац--доминиров. стадии эволюции Вселенной существовали малые П. ф. метрики пространства-времени с характерной безразмерной амплитудой 10^-4 - 10^-5. Галактики и др. локализов. объекты возникли из этих П. ф. вследствие гравитационной неустойчивости - роста неоднородных флуктуации метрики пространства-времени и плотности вещества на более поздней стадии, когда осн. вклад в плотность энергии материи вносило нерелятивистское вещество (включая барионы) с давлением где - плотность вещества; на этой стадии R(t)~ t^2/₃. Существование гравитац. неустойчивости П. ф. для адиабатических флуктуации на стадии доминирования нерелятивистского вещества следует как из точных ур-ний релятивистской космологии, основанной на общей теории относительности, так и из нерелятивистского (ньютоновского) приближения к ним, и фактически было известно ещё И. Ньютону. Малость П. ф. в момент рекомбинации водорода при z 10³ [по крайней мере, в масштабах, превышающих (Н/50)^-1 Мпк в настоящее время] подтверждается наблюдат. фактом отсутствия недипольных флуктуации темп-ры реликтового эл--магн. излучения на уровнеТ/Т ~ 10^-4 в угл. масштабах от 20" до 180° (верх. пределы наТ/Т в интервале 10° - 180° прибл. в 3 раза меньше).
Теоретич. исследование (Е. М. Лифшиц, 1946) показывает, что П. ф. могут быть след. типов.
Адиабатич. флуктуации описываются возмущениями метрики Фридмана - Робертсона - Уокера скалярного типа, к-рые эффективно сводятся к неоднородному возмущению ньютоновского гравитац. потенциала и связанному с ним возмущению полной плотности энергии вещества. Кроме того, у вещества появляется потенциальная (т. н. пекулярная) скорость относительно выделенной "космологич." системы отсчёта, в к-рой невозмущённая метрика пространственно однородна. В зависимости от характера временной эволюции адиабатич. флуктуации принадлежат к растущей (квазиизотропной) или падающей моде. Только первая мода совместима с условием малости П. ф. при z10³. Для растущей моды П. ф. безразмерная амплитуда возмущений метрики в синхронной системе отсчёта не зависит от времени на нач. стадиях расширения Вселенной, когда пространственный масштаб флуктуации LR(t)больше размера космологич. горизонта (границы области двусторонней причинной связанности, см. Вселенная) L_h ~ ct, каковы бы ни были свойства вещества (необходимо только выполнение причинности принципа ).Поэтому, с точки зрения классич. теории гравитации, эта амплитуда (10^-4 - 10^-5) должна быть задана как нач. условие для Вселенной в момент её выхода из сингулярности космологической (Большого Взрыва), t = 0.
Анализ наблюдат. данных показывает, что вектор ускорения для нашей Галактики, определяемый по расположению видимого вещества (галактик и их скоплений) вокруг неё, отклоняется менее чем на 10% от вектора скорости Галактики относительно системы отсчёта, в к-рой плотность импульса реликтового эл--магн. излучения равна нулю (отличие угла отклонения от нуля находится в пределах ошибок измерений). Последняя скорость определяется величиной и угл. расположением дипольной анизотропии темп-ры реликтового излучения и практически совпадает с пекулярной скоростью Галактики относительно "космологич." системы отсчёта. Это является важным доводом в пользу того, что галактики образовывались именно из аднабатич. П. ф., для к-рых векторы пекулярной скорости и ускорения строго коллинеарны.
Векторные (вращательные) флуктуации характеризуются возмущениями метрики Фридмана - Робертсона - Уокера векторного типа (не сводимыми к градиенту от скалярной ф-цип) и вихревой пекулярной скоростью вещества. При этом возмущение плотности энергии вещества равно нулю. Этот тип возмущений несовместим с малостью П. ф. на ранних стадиях эволюции Вселенной, поэтому совр. космологич. теории предсказывают отсутствие векторных П. ф. (вторичные вихревые флуктуации скорости вещества могут возникнуть из адиабатич. П. ф. при z10 за счёт разл. нелинейных эффектов).
Первичные тензорные флуктуации метрики Фридмана - Робертсона - Уокера (не сводимые к градиентам скаляров и компонент векторов) представляют собой гравитационные волны ,образовавшиеся в момент Большого Взрыва. Та мода гравитац. волн, к-рая совместима с нач. изотропией Вселенной (т. н. квазиизотропная мода), характеризуется не зависящей от времени амплитудой тензорных П. ф. на стадии, когда пространственный масштаб флуктуации L много больше размера космологич. горизонта L_h.
Существует ещё один тип П. ф. (не рассмотренный Лифшицем), к-рый возникает, когда вещество, заполняющее Вселенную, состоит из двух или неск. разл. компонент (сортов), напр. барионы и излучение или барионы с излучением и нейтрино. Тогда в режиме LLh существует (п - 1) мод П. ф., где п - число разл. компонент вещества, в к-рых флуктуирует только уд. состав вещества, точнее говоря, флуктуации полной плотности энергии вещества и метрики пространства-времени малы [в отношении (L_h/L)²]по сравнению с флуктуациями плотности энергии отд. компонент. Для вещества, состоящего из барионов и излучения (n = 2), такую моду П. ф. наз. изотермической, или энтропийной. В более общем случае (особенно когда часть вещества составляют слабовзаимодействующие частицы, напр. нейтрино и др.) правильнее говорить обизоэнергетич. (изометрич.) П. ф. Когда в ходе расширения Вселенной условие L L_hперестаёт выполняться, изоэнергетич. моды П. ф. перемешиваются с адиабатическими (исключение составляет только случай, когда компоненты имеют одинаковые ур-ния состояния). Поэтому изоэнергетич. П. ф., подобно адиабатич. П. ф., могут привести к образованию локализов. объектов и крупномасштабной структуры Вселенной.
Происхождение П. ф. По мере движения в прошлое к космологич. сингулярности (t = 0) в изотропной космологич. модели Фридмана все флуктуации попадают в режим L Lh [в частности, все масштабы, превышающие 50(H/50)^-2 х Мпк в настоящее время, находились в этом режиме в момент перехода от радиац--доминиров. стадии эволюции Вселенной к стадии доминирования нерелятивистского вещества]. В этом режиме П. ф. не могут быть созданы никакими локальными физ. процессами вследствие принципа причинности. Поэтому в классич. космологии П. ф. изначально возникают в космологич. сингулярности. Математически это означает, что их величина и пространственное распределение (или спектр в фурье-представлении) должны быть произвольно заданы при t = 0 в качестве нач. условий для ур-ний тяготения Эйнштейна (см. Тяготение ).Не используя наблюдательных данных, ничего более про тип, амплитуду и спектр П. ф. сказать нельзя; иными словами, свойства П. ф. невозможно предсказать априори. В этом состоит проблема нач. условий классич. космологии.
Задача любой квантовой или полуквантовой космологии - вывести свойства П. ф. исходя из первичных принципов и ур-ний. Эта задача решается в модели раздувающейся Вселенной, в к-рой радиац--доминнров. стадии Вселенной предшествует (при очень больших значениях кривизны пространства-времени) деситте-ровская стадия квазиэкспоненциального расширения (см. Де Ситтера пространство-время, Квантовая теория гравитации). В простейшем варианте этой модели - с одним эффективным скалярным полем, ответственным за существование деситтеровской стадии, - предсказывается, что П. ф. с совр. масштабом L1 см принадлежат исключительно к квазиизотропным адиабатич. и тензорным модам, а их амплитуда h слабо зависит от L (|dlogh/dlog L|1; говорят, что такие П. ф. имеют плоский спектр, или спектр Зельдовича - Гаррисона). В усложнённых вариантах модели с неск. скалярными полями на деситтеровской стадии генерируются ещё и изоэнергетич. П. ф. (называемые в данном случае также изоинфлатонными), а спектр адиабатич. П. ф. может быть более сложным.
Способы исследования П. ф. Свойства П. ф. можно, в принципе, определить из наблюдательных данных о совр. строении Вселенной. Практически наиб. важная информация об адиабатич. П. ф. с совр. масштабом L = (1 - 10⁴) Мпк следует из вида корреляц. ф-ции галактик и их скоплений, характеристик крупномасштабной структуры Вселенной (напр., распределения пустот - областей пространства, свободных от галактик, - по размерам) и из данных об угл. анизотропии темп-ры реликтового эл--магн. излученияТ/Т (пока надёжно обнаружена только анизотропия дипольного типа). Гравитац. волны, возникшие из тензорных П. ф., также дают вклад вТ/Т (этот эффект наиб. чувствителен к интервалу длин волн 10² - 10⁴ Мпк). Наконец, гравитац. волны с частотами, большими 10^-10 Гц, можно искать как в прямых экспериментах (наиб. перспективным здесь является использование космич. лазерных интерферометров), так и путём многолетнего слежения за флукту-ациями времени прихода радиоимпульсов от пульсаров с миллисекундными периодами.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Монин А. С., Полубаринова - Кочина П. Я., Хлебников В. И., Космология, гидродинамика, турбулентность. А. А. Фридман и развитие его научного наследия, М., 1989.

А. А. Старобинский.