Космология

Задача 1

Первым экспериментальным «космологическим» открытием считается закон Хаббла, согласно которому все далекие светящиеся объекты удаляются от наблюдателя на Земле по лучу зрения со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию до них: V = H \cdot r . Хаббл открыл этот закон, анализируя сдвиги частоты излучения объектов в зависимости от расстояния до них. Выберите из предложенных ниже утверждений те, что верно описывают сделанные космологами из этого открытия:

1. Солнечная система находится в центре Вселенной, и все прочие тела разлетаются в разные стороны от нее.

2. Вся материя Вселенной покоится, но частота электромагнитной волны зависит от пройденного ее фронтом пути.

3. Существует некий «центр» Вселенной (не совпадающий с Солнечной системой), и вся материя в ней разлетается от этого центра со скоростями, подчиняющимися закону Хаббла.

4. Приборы в установке Хаббла работали некорректно.

5. Одним из возможных сценариев рождения Вселенной с таким распределением скоростей может быть сценарий Большого Взрыва, в котором вся материя Вселенной «вылетела» из небольшой по размерам области.

6. Возраст нашей Вселенной примерно равен 12-13 млрд. лет.

В ответе укажите номера всех верных утверждений в порядке возрастания, не разделяя пробелами или знаками препинания, например: 134.

Задача 2

Первыми теоретическими моделями расширяющейся Вселенной в рамках ОТО (Общей Теории Относительности) стали модели Фридмана. У Фридмана возникло три типа моделей: замкнутой Вселенной, плоской Вселенной и открытой Вселенной. Что общего было у всех трех типов? Выберите из предложенных ниже утверждений те, что верно отвечают на этот вопрос:

1. Во всех трех моделях доминирующей силами, влияющей на движение материи Вселенной, были давление вещества и силы гравитации.

2. Во всех моделях расширение Вселенной со временем сменялось сжатием.

3. Во всех моделях скорость расширения уменьшалась со временем (ускорение было отрицательным).

4. Для всех моделей расширение начиналось с точки «начальной сингулярности», в которой радиус Вселенной был нулевым.

5. Во всех моделях пространство было плоским (подчинялось геометрии Евклида).

6. Во всех моделях распределение вещества во Вселенной предполагалось однородным и изотропным (одинаковым во всех областях пространства и во всех направлениях).

В ответе укажите номера всех верных утверждений в порядке возрастания, не разделяя пробелами или знаками препинания, например: 134.

Задача 3

3. В моделях Фридмана было обнаружено, что важную роль в формировании «сценария» расширения играет величина «критической» плотности вещества \rho_{КР} = \frac{3H^2}{8\pi G} , где H – постоянная Хаббла, а G – гравитационная постоянная. С точки зрения Фридмана, выбор модели определяется отношением средней плотности вещества во Вселенной и критической плотности, то есть величиной \Omega = \frac{\rho}{\rho_{КР}} . Укажите соответствие между значениями \Omega и моделями Фридмана:

\begin{array}{|l|l|}

\hline

\text{А) Открытая Вселенная;}\hspace{2cm} & \text{1) } \Omega > 1;\hspace{2cm} \\

\text{Б) Плоская Вселенная;}\hspace{2cm} & \text{2) } \Omega = 1;\hspace{2cm} \\

\text{В) Замкнутая Вселенная.}\hspace{2cm} & \text{3) } \Omega < 1.\hspace{2cm} \\

\hline

\end{array}

Выпишите в таблицу номера диапазонов значений \Omega под буквенным обозначением соответствующей модели:

\begin{array}{|c|c|c|}

\hline

\text{А} & \text{Б} & \text{В} \\

\hline

\hspace{4cm} & \hspace{4cm} & \hspace{4cm} \\

\hline

\end{array}

Перенесите в ответ цифры из таблицы в получившемся порядке, не разделяя пробелами или знаками препинания, например: 123.

Задача 4

Какие данные о наблюдаемой части Вселенной привели космологов к выводу, что для корректного описания «истории Вселенной» недостаточно моделей Фридмана, и требуется учет «квантовополевых» эффектов из физики элементарных частиц? Выберите из предложенных ниже утверждений те, что верно отвечают на этот вопрос:

1. В классических моделях не удавалось описать «необычно быстрое» увеличение Вселенной на начальной стадии ее расширения, без которого размеры даже наблюдаемой части Вселенной оказались «слишком большими».

2. Измерения показали, что в настоящую эпоху Вселенная слишком быстро тормозится.

3. Измерения показали, что температура Вселенной растет с течением времени, а модели Фридмана предсказывали, что она должна убывать.

4. Открытие реликтовых излучений показало, что ранняя Вселенная была очень плотной и горячей, и расчеты показывали, что в это время должны были в большом количестве рождаться «экзотические» объекты физики элементарных частиц, но найти их в современной Вселенной не удалось.

5. Измерения показали, что в современную эпоху Вселенная расширяется ускоренно.

6. При моделировании процесса расширения было обнаружено, что наблюдаемая плотность вещества (даже с учетом «темной материи») недостаточна для объяснения нынешнего состояния Вселенной, и был сделан вывод о существовании форм материи, не похожих на «вещество» в моделях Фридмана.

В ответе укажите номера всех верных утверждений в порядке возрастания, не разделяя пробелами или знаками препинания, например: 134.

Задача 5

Этот вопрос посвящен схеме «истории Вселенной» (например, приведенной на предпоследнем слайде презентации). Учтите, что в разных модельных расчетах границы разных «эпох» могут немного варьироваться, и к тому же данные о наблюдаемой части Вселенной тоже постоянно уточняются. Эта неопределенность не приведет к радикальному изменению ответов, но по сравнению с другими подобными схемами отличия могут быть. Поэтому, для единообразия оцениваемых ответов будем считать, что все ответы надо выбирать, ориентируясь на эту схему. Итак, на основании предложенной схемы выберите из предложенных ниже правильные утверждения об истории Вселенной с точки зрения современных космологических моделей.

1. Эпоха конфайнмента, когда практически все цветовые заряды (кварки, антикварки и глюоны) оказались связаны в адронах, наступила примерно к моменту 10^{-5} с после Большого Взрыва при температуре 10^{12} К.

2. Образование звезд началось через 100 тысяч лет после Большого Взрыва при температуре 200 тысяч К.

3. Через несколько десятков секунд после Большого Взрыва температура упала почти до 1 миллиарда К, и начался первичный нуклеосинтез – образование легких ядер, из которых в основном состоит звездное вещество.

4. Примерно через 300 – 400 тысяч лет после Большого Взрыва, при температуре ниже 3000 К вещество Вселенной становится прозрачной для фотонов теплового излучения – образуется газ реликтовых фотонов, который остывает отдельно от барионного вещества.

5. Первичная космологическая инфляция заканчивается через миллиардную долю секунды после Большого Взрыва.

6. За первый миллиард лет жизни Вселенной ее температура упала до 0°С.

В ответе укажите номера всех верных утверждений в порядке возрастания, не разделяя пробелами или знаками препинания, например: 134.