Ударные волны аннигиляции в эволюции Вселенной

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 была реализована М. Кахиллом и А. Таубом (1971), в неавтомодельной — путем постановки обратной задачи для детонирующего газа — А.Н. Голубятниковым (1976 и позже).
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 разлета за ударной волной уже при положительной плотности энергии, что соответствует открытой модели Вселенной. В связи с этим в настоящей работе учитывается переход части массы покоя сжимающейся пыли, состоящей из смеси частиц и античастиц, в энергию разлетающегося газа под давлением.
Обнаруженный недавно эффект ускорения разлета Вселенной (А. Рисс, 1998) можно объяснить просто 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, 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 настоящем докладе представлен обзор поставленных и решенных совместно с научным руководителем проф. А.Н. Голубятниковым задач, связанных с моделированием разлета Вселенной. Для установления базовых условий на разрыве рассмотрена кусочно-постоянная одномерная задача в рамках специальной теории относительности, изучены важные предельные случаи. Решена задача о структуре аннигиляционной ударной волны. 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 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.
Таким образом, эти решения описывают процесс образования однородного разлета при первоначальном гравитационном коллапсе, который реализуется за волной аннигиляции, служащей источником энергии для этого процесса. Свидетельством процессов выделения большой энергии в области, близкой к ударной волне, может служить наличие квазаров, где, предположительно, масса покоя и переходит в энергию излучения. Данная картина вполне согласуется с теорией Большого взрыва (см. например, Я.Б. Зельдович, 1981), начиная с диапазона времен протекания процесса аннигиляции барионов и антибарионов, когда число выживших частиц по известным оценкам составляет порядка 10⁻⁹ от числа образовавшихся фотонов. При этом нет необходимости рассматривать большие плотности материи и процессы эволюции предшествующих поколений частиц.
По материалам доклада в журнале Гравитация и Космология опубликованы три 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.