Введение в космологию

Лекции посвящены краткому обсуждению современного представления о прошлом, настоящем и будущем нашей Вселенной.Речь прежде всего идёт об изучении теоретических аспектов, результаты астрономических наблюдений используются как данность, мотивация для введения конкретных элементов в рассмотрение. Описание гравитации базируется на Общей теории относительности, физики микромира – на Стандартной модели физики частиц (там, где достаточно).

Каждая лекция сопровождается набором задач для самостоятельной работы. Решения обсуждаются студентами в начале каждого следующего занятия. В конце курса выдаётся список задач (как правило, более сложных), решения которых студенты демонстрируют на зачёте/экзамене. Как простейшая форма контроля усвоения основных представлений используются блиц-опросы.

Космология – замечательная наука. Она показывает, как поведение элементарных частиц определяет крупномасштабную структуру видимой Вселенной, и её химический состав, позволяет проследить историю её развития с эпохи нуклеосинтеза (образования первичных химических элементов) до наших дней, предсказать её будущее и попытаться угадать прошлое. В современной Вселенной известные частицы дают лишь 5% вклад в плотность энергии. Мы не знаем, что из себя представляет тёмная энергия, что за частицы образуют тёмную материю, как в ранней Вселенной пропали античастицы. Всё это требует новой физики, открывает широчайшие просторы для теоретических фантазий и экспериментальных поисков.

  • Лекция 1: Общие представления о современной Вселенной и пути её эволюции.
  • Лекция 2: Элементы Общей теории относительности, Cтандартной модели физики частиц, термодинамики.
  • Лекция 3: Однородность и изотропия Вселенной, метрики подходящих пространственных многообразий, метрика Робертсона—Уокера. Закон Хаббла, свободные частицы в расширяющейся Вселенной. Уравненние Фридмана, его решения для однокомпонентных сред, возраст Вселенной и размер космологического горизонта.
  • Лекция 4: Стандартная космологическая модель, хронология развития Вселенной, возраст современной Вселенной, яркость и угловой размер объектов, удалённых на космологические расстояния
  • Лекция 5: Функции распределения частиц плазмы в расширяющейся Вселенной, плотность энергии и энтропия. Образование водорода и вторичная ионизация первыми звёздами.
  • Лекция 6: Образование атомарного водорода в ранней Вселенной. Закалка активных нейтрино в ранней Вселенной, космологические ограничения на сумму масс нейтрино. Основные этапы первичного нуклеосинтеза, оценка остаточной концентрации гелия.
  • Лекция 7: Типы компонент тёмной материи, оценки остаточной концентрации для холодной и горячей термальных компонент тёмной материи. Кандидаты на роль частиц тёмной материи: слабо взаимодействующие массивные частицы, аксион, стерильные нейтрино, когерентные осцилляции однородного скалярного поля.
  • Лекция 8: Появление кваркового конденсата, переход конфайнмент-деконфаймент, Электрослабый фазовый переход, переходы теорий Великого объединения в ранней Вселенной.
  • Лекция 9: Условия Сахарова образования барионной асимметрии Вселенной. Лептогенезис. Электрослабый бариогенезис, механизм Аффлека—Дайна генерации барионной асимметрии Вселенной.
  • Лекция 10: Проблемы теории Горячего Большого взрыва и инфляция как способ их решения. Инфляция в режиме медленного скатывания, хаотическая, новая, гибридная инфляции.
  • Лекция 11: Генерация скалярных и тензорных возмущений на инфляционной стадии, амплитуды и наклоны спектров.
  • Лекция 12: Рождение бозонов и фермионов во внешних полях, метод преобразований Боголюбова. Постинфляционный разогрев Вселенной, явление параметрического резонанса, рождение тяжёлых фермионов.
  • Лекция 13: Джинсовская неустойчивость в статической среде и в расширяющейся Вселенной. Современные размеры коллапсировавших в ранней Вселенной неоднородностей.
  • Лекция 14: Эволюция векторных и тензорных мод в расширяющейся Вселенной. Законы эволюции скалярных возмущений в расширяющейся Вселенной для однокомпонентных сред. Формирование структур в ранней Вселенной, аналитическая оценка распределения стуктур по массам в формализме Пресса-Шехтера.
  • Лекция 15: Формирование анизотропии температуры реликтового излучения, связь анизотропии с основными космологическими параметрами.