Критическая плотность (космология)

Крити́ческая пло́тность Вселе́нной ρ_с — выделенное значение плотности материи (вещества и энергии) Вселенной, от которого зависят глобальные геометрические свойства вселенной в космологических моделях.

В частности, если средняя плотность Вселенной меньше или равна критической, то реализуется бесконечная^[источник не указан 1208 дней] вселенная. Если же плотность больше критической — то пространство Вселенной оказывается конечным:

• ρ < ρ_с — пространство с отрицательной кривизной, открытая вселенная;
• ρ = ρ_с — плоская, открытая^[источник не указан 1208 дней] вселенная;
• ρ > ρ_с — положительная кривизна пространства, вселенная замкнута.

По данным WMAP, наблюдаемая Вселенная является плоской (в пределах погрешности). Исходя из этого, согласно модели Фридмана, средняя плотность Вселенной равна критической: ρ = ρ_с с точностью порядка 1 %.

Барионная (обычная, доступная прямым наблюдениям) материя даёт в эту плотность довольно малый вклад: лишь (4,54±0,01) %, или 0,25 атома водорода на кубический метр. Два других компонента, дающих гораздо больший вклад в плотность, — тёмная материя (22,6 %) и тёмная энергия (73 %). Вклад релятивистских частиц[1], то есть фотонов микроволнового фона, в настоящее время крайне мал: 0,0050 %[2].

Численное значение

Значение критической плотности ${\displaystyle \rho _{c}}$ зависит от значения постоянной Хаббла:

${\displaystyle \rho _{c}={\frac {3H^{2}}{8\pi G}}~,}$

где

H — постоянная Хаббла,

G — гравитационная постоянная.

При записи критической плотности (и других космологических параметров) часто используют безразмерную постоянную Хаббла h, определённую как h = H/(100 (км/с)/Мпк). В этих обозначениях[3]

ρ_с = 1,88·10^−26h^2 кг/м^3 = 1,05·10^−5h^2 ГэВ/см^3,

причём коэффициенты в этих выражениях не зависят от времени, в отличие от H и h.

При значении постоянной Хаббла в современную эпоху H₀ = 70,4±2,5 (км/с)/Мпк (или 2,282⋅10^−18 c^−1), наилучшим образом описывающем доступные на 2012 год наблюдательные данные[3][4], критическая плотность ρ_с равна 9,31⋅10^−27 кг/м^3 (или 5,20⋅10^−6 ГэВ/см^3). С учётом того, что масса нуклона (и масса атома водорода) примерно равна 0,94 ГэВ, критическая плотность соответствует 5,5 атома водорода на кубический метр.

См. также

• Космологические модели
• Планковская плотность

Примечания

1. К релятивистской компоненте в современную эпоху относятся лишь фотоны реликтового излучения, поскольку реликтовые нейтрино обладают массой, достаточной для замедления до нерелятивистских скоростей при их современной температуре.
2. The Cosmological Parameters Архивная копия от 14 ноября 2012 на Wayback Machine // In: J. Beringer et al. (Particle Data Group), Review of Particle Properties Архивная копия от 7 сентября 2017 на Wayback Machine. Phys. Rev. D86, 010001 (2012).
3. Big-Bang Cosmology Архивная копия от 14 ноября 2012 на Wayback Machine. 21.1.4. Definition of cosmological parameters // In: J. Beringer et al. (Particle Data Group), Review of Particle Properties Архивная копия от 7 сентября 2017 на Wayback Machine. Phys. Rev. D86, 010001 (2012).
4. Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results Архивная копия от 4 октября 2012 на Wayback Machine (англ.)

Ссылки

• Сайт о современной космологии  (неопр.). Архивировано 22 августа 2011 года.
• Лекции по Общей Астрофизике для Физиков на сайте Астронет