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 1470 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 1470 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 = 1,88·10⁻²⁶h² кг/м³ = 1,05·10⁻⁵h² ГэВ/см³,

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/м³ (или 5,20⋅10⁻⁶ ГэВ/см³). 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