Семинар по механике жидкости, газа и плазмы им. академика Г. Г. Черного
Семинар состоится в среду, 30 октября в 11:00 в ауд. 240 НИИ механики МГУ. Научные руководители семинара: академик РАН В. А. Левин и д. ф.-м. н., профессор А. Н. Крайко
Ударные волны аннигиляции в динамике Вселенной
А. Н. Голубятников, Д. Б. Любошиц МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва
Задача о предварительном сжатии Вселенной, переходящем в разлет, была сформулирована В. де Ситтером, обсуждалась Х. Альвеном и О. Клейном, которые рассматривали видимую часть Вселенной как конечную метагалактическую систему, расширяющуюся в пустоту. В автомодельной постановке задача с образованием ударной волны при коллапсе «пыли» была решена М. Кахиллом и А. Таубом (1971), в неавтомодельной — путем постановки обратной задачи для детонирующего газа — А. Н. Голубятниковым (1976 и ряд более поздних работ).
Как следует из постановки задачи в рамках ньютоновской механики, в предположении параболического сжатия пылевой среды (с нулевой суммарной плотностью полной энергии) проблема заключается в необходимости выделения дополнительной энергии для создания наблюдаемого гиперболического движения типа разлет за ударной волной. В связи с этим в настоящей работе учитывается переход части массы покоя сжимающейся пыли, состоящей из смеси аннигилирущих частиц и античастиц, в энергию разлетающегося газа под давлением. Более того, благодаря известным оценкам энергии реликтового излучения после прохождения реакции аннигиляции осталось только 10-9 от первоначальной барионной материи (см. например, Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков. Релятивистская астрофизика, 1967).
Обнаруженный недавно эффект ускорения разлета Вселенной (А. Рисс, 1998) также можно объяснить наличием подходящего градиента давления. Таким образом, открытие этого явления можно трактовать как факт формирования специального распределения давления, связанного с локальным взрывом. Тем более, что закон расширения Э. Хаббла (1929) как линейная зависимость скорости от расстояния до центра выделения энергии, приближенно получается при всех расчетах автомодельных взрывов в средах с любым степенным начальным распределением плотности (Л. И. Седов, 1946). В последнее время открыт ряд пустот, по размерами порядка 0,1 видимой части Вселенной (Волопаса, Эридана и др.), а также «стены» — уплотнения галактик (Геркулеса и др.) между ними, что свидетельствует, скорее, о многочисленных взрывах.
В настоящем докладе представлен обзор поставленных и решенных нами задач, связанных с моделированием аннигиляционного взрыва Вселенной. Для исследования базовых условий на разрыве рассмотрена кусочно-постоянное решение одномерной задачи в рамках специальной теории относительности, изучены важные предельные случаи. В рамках общей теории относительности построено и изучено два точных решения задачи о волне аннигиляции, возникающей при сжатии смеси частиц и античастиц под действием собственной гравитации при одинаковых начальных скоростях компонент смеси. В первом решении, которое осуществляется при произвольном уравнении состояния, но с постоянной удельной энтропией, задача может рассматриваться как описание процесса формирования однородного разлета гравитирующего газа по А. Фридману (1924) при неоднородном коллапсе пыли. Во втором в области за ударной волной используется решение Т. Гутмана — Р. Беспалько (1967) с предельно жестким уравнением состояния со степенным распределением плотности энергии по лагранжевой переменной и времени, в котором существенен градиент давления, создающий ускорение.
Опубликованы три совместные статьи:
- On Strong Shock Waves of Annihilation, Gravitation and Cosmology, 2016, Vol. 22, No. 3, pp. 258–263.
- Annihilation Shock Wave in Gravitating Gas Dynamics. Gravitation and Cosmology, 2018, Vol. 24, No. 4, pp. 309–314.
- A cosmological solution with acceleration caused by annihilation shock wave, Gravitation and Cosmology, 2019. Vol. 25, No. 2., pp. 131–137.