Фізика космології та Великого Вибуху

🌌 Великий Вибух

Hot Big Bang model

Початок з t=0, сингулярність. Розширення масштабу: a(t). Friedman-Lemaître-Robertson-Walker metric. Теплий ранній Всесвіт.

CMB

Cosmic Microwave Background: T ≈ 2.725 K. Blackbody spectrum λ_max ~ 1.9 мм. Планк distribution. Discovered 1965 (Penzias-Wilson).

Історія еволюції

t = 0: сингулярність. 10⁻⁴³ с: Planck era. 10⁻⁶ с: quark-hadron transition. 3 min: nucleosynthesis. 380 kyr: recombination. 9 Gyr: dark energy domination.

Hubble law

v = H₀·d, де H₀ ≈ 70 км/(с·Mpc) (Hubble constant). Redshift z = Δλ/λ. Зростає з відстанню.

⚡ Інфляція

Exponential expansion

a(t) ~ e^(H·t) для H ~ 10¹³ GeV. Scale factor зростає exponentially у early Universe (t ~ 10⁻³⁶ с). Alan Guth (1981).

Проблеми

Vирішує flatness (Ω = 1), horizon (causality), monopole problems. Primordial fluctuations: quantum fluctuations stretched до cosmic scales.

Теорія

Slow-roll inflaton scalar field. V(φ) potential. Inflaton decay у matter. Predicted perturbations: Δρ/ρ ~ 10⁻⁵.

Evidence

CMB anisotropy spectrum, flat geometry (Ω = 1.001±0.005). LSS: Baryon Acoustic Oscillations, galaxy clustering.

🔬 Темна матерія

Evidence

Rotation curves: galaxies (Milky Way), clusters. Gravitational lensing: bullet cluster. CMB anisotropy. Large-scale structure.

Cold dark matter

CDM: non-relativistic на decoupling. WIMP: Weakly Interacting Massive Particle, ~100 GeV-1 TeV. Thermal relic abundance.

Пошук

Direct detection: xenon, cryogenic detectors. Indirect: gamma rays, neutrinos. Collider (LHC): missing energy. Поки не знайдена.

Alternatives

Axions: light (~1 μeV), strong CP problem. MACHOs: ruled out. Modified gravity: teorie обмежені.

⚛️ Темна енергія

Accelerated expansion

Supernovae Ia (1998): Всесвіт уповільнюється мало. Dark energy: ~68% енергії. w = -1: космологічна константа Λ.

Cosmological constant

Λ: у Einstein equations. Vacuum energy density ρ_vac ~ 10⁻²⁹ г/см³. Енергетична проблема: QFT predicts ~10¹²⁰× більше.

Quintessence

Dynamic dark energy. Scalar field φ з equation of state w(φ). V(φ) potential. Еволюція w з космологією.

Tests

BAO, supernovae, CMB. w parameter constraints: w = -1.03±0.04. JDEM, Euclid missions.

🌊 Структура утворення

Lambda-CDM

Standard cosmological model: Λ-CDM. Dark matter + dark energy. Structure formation: gravitational clustering.

Galaxy formation

Dark matter haloes: gravity collapse. Baryonic matter falls in. Starburst: z ~ 2-3. Galaxy mergers.

Cosmic web

Large-scale structure: filaments, clusters, voids. N-body simulations. Baryon Acoustic Oscillations: 150 Mpc scale.

Reionization

z ~ 6-15: hydrogen reionization. First stars, quasars. CMB polarization. Epoch of reionization.

🔬 Observations

CMB observations

WMAP, Planck satellites. Temperature anisotropy ΔT/T ~ 10⁻⁵. Polarization E, B modes. Inflationary B modes: gravitational waves.

Large-scale surveys

SDSS, 2dF: millions galaxies. LSS clustering. BAO measurements. Weak lensing surveys.

Supernovae cosmology

SN Ia: standard candles. Dark energy discovery (1998). Hubble diagram: expansion history.

Future missions

Euclid, LSST, JWST. Dark energy, gravitational waves, first galaxies.

📊 Графіки та діаграми

Структура енергії Всесвіту

Cosmic pie (Λ-CDM):

Всі визначаються через CMB, SN Ia, BAO measurements.

Expansion history

a(t) for Λ-CDM:

Hubble parameter: H(t) = ȧ/a. Future: exponential expansion.

Темна енергія: ~68% Темна матерія: ~27% Звичайна матерія (baryons): ~5% Нейтрино: ~0.1% Radiation (CMB): ~0.01%

🧪 Практичні приклади

Приклад 1: CMB discovery

Penzias-Wilson (1965): T ≈ 3 K. COBE: blackbody spectrum. Planck: anisotropy map, polarization.

Приклад 2: Dark energy

SN Ia (1998): Universe accelerating. HST, ground surveys. w ≈ -1.03±0.04. Λ or quintessence.

Приклад 3: Rotation curves

Galaxies: v(R) ~ constant за межами visible disk. Dark matter haloes. M/L ~10-100 required.

Приклад 4: LSS surveys

SDSS: millions galaxies, BAO ~150 Mpc. Cosmic web: filaments, clusters, voids. Lambda-CDM fit.

© 2025 Науковий Симулятор. Всі права захищені.

Космологія: походження Всесвіту

Try it live

Everything above runs in your browser — open SPH Fluid and change the parameters while it is running. Nothing is installed, nothing is uploaded, the whole model lives in one tab.