строение и эволюция вселенной

КОСМОЛОГИЯ. Раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом, называется космологией (от греч. космос — мир, Вселенная и логос — учение). В компетенцию космологии входит объяснение наблюдаемого распределения галактик в пространстве и их движение (разбегание). Во времена Античности и в Средние века многие учёные полагали, что Вселенная конечна и ограничена сферой неподвижных звёзд. Этой точки зрения придерживались даже Н. Коперник и Т. Браге. Кроме этого, Вселенная представлялась статичной, т. е. не меняющейся со временем — звёзды застыли на своих местах, наблюдались только периодические движения в Солнечной системе. С развитием науки, всё полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство учёных постепенно перешли к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Огромное значение имело открытие И. Ньютоном закона всемирного тяготения. Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной всё её вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объёмах — «островах» (по тогдашним представлениям — в звёздах), равномерно заполняющих Вселенную.

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС. Конечно, в рамках ньютоновской механики и теории гравитации возникали серьёзные проблемы при предположении о бесконечности Вселенной. Одна из таких проблем получила название фотометрического парадокса. Иногда этот парадокс формулируют в виде вопроса: почему ночью небо тёмное? Казалось бы, имеется тривиальный ответ: ночью темно, так как Солнце находится под горизонтом. Но это не так. В бесконечной статичной Вселенной имеется бесконечное число звёзд. Поэтому, если мы будем смотреть в каком-то направлении, то наш луч зрения рано или поздно наткнётся на звезду. Поэтому всё небо должно быть покрыто сплошной стеной из дисков звёзд разных угловых размеров. Причём дисков с меньшими угловыми размерами было бы больше. Если предположить, что все звёзды похожи на Солнце, то любой участок неба должен быть таким же ярким, как Солнце. Но этого нет. Ночью темно. Если бы Вселенная была конечной, то в ней было бы конечное число звёзд и небо не было столь ярким. Но предположение о конечности Вселенной противоречило бы наблюдаемому равномерному распределению звёзд в ней. Ведь согласно теории тяготения Ньютона все звёзды в ограниченной Вселенной рано или поздно должны были бы собраться в одно место.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном. Она обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далёких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света. Согласно общей теории относительности гравитационное взаимодействие передаётся с конечной скоростью, равной скорости света. (По теории Ньютона гравитационное взаимодействие передаётся мгновенно.) Общая теория относительности накладывает определённые ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно этой теории время не имеет абсолютного характера, а движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств пространства и времени. Гравитационное поле представляет собой искривление пространства-времени, создаваемое массивными телами

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ. В зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них — вывод, подтверждённый Э. Хабблом открытием красного смещения в спектрах галактик. Для построения модели Вселенной используется общая теория относительности. Несмотря на это, понять основные особенности наблюдаемой картины расширения Вселенной можно и в рамках теории тяготения И. Ньютона. Это связано с тем, что в небольших масштабах Вселенной применима теория тяготения Ньютона. Поэтому расширение Вселенной можно проследить по характеру движения одной галактики, которая удаляется от нас со скоростью, меньшей скорости света. Рассмотрим далёкую галактику, находящуюся на расстоянии R от нас. На её движение оказывает притяжение только то вещество, которое находится внутри сферы с радиусом R, остальное вещество Вселенной не влияет своим притяжением на движение галактики. Масса вещества, находящегося внутри сферы с радиусом R и плотностью ρ, равна М = ρ· (4/3π)R³ . Эта галактика как бы находится на поверхности шара c данной массой и радиусом. Из наблюдений видно, что галактика движется по закону Хаббла со скоростью v = H · R. Если эта скорость окажется меньше второй космической скорости для этого шара, то наблюдаемое удаление галактики сменится в конце концов приближением, т. е. расширение Вселенной сменится сжатием.
Если скорость будет больше или равна второй космической скорости, то галактика будет неограниченно удаляться, т. е. наблюдаемое расширение носит неограниченный характер.

ВОЗРАСТ ВСЕЛЕННОЙ. Если наблюдения пока не позволяют нам с определённостью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то время, когда в прошлом это расширение началось, мы можем оценить из закона Хаббла. Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью v и сейчас, после начала расширения, находится на расстоянии r от нас, то своё удаление от нас она начала примерно в момент

Эти рассуждения применимы для любой галактики. Таким образом, около 13 млрд лет назад всё вещество Вселенной было сосредоточено в небольшом объёме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звёзд не существовало. Не существовало ни атомов, ни молекул, а была сверхплотная смесь элементарных частиц. Пока не ясны ни природа физических процессов, протекавших до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества, и на определённом этапе расширения стали формироваться галактики и звёзды. Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлётом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время

прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной. Расширение Вселенной и связанное с ним наблюдаемое разбегание галактик объясняют отсутствие фотометрического парадокса. Действительно, из-за эффекта Доплера свет далёких галактик и звёзд испытывает красное смещение, энергия световых квантов уменьшается, меньше света приходит от этих галактик. Кроме этого, мы видели, что Вселенная ограничена в размерах радиусом Вселенной. Этими двумя положениями и объясняется то, что небо ночью тёмное.

МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ. В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва» (BigBang), предложенная в 1948 г. Основы ее были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. (Г.А.) Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. Основа теории такова: физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 млрд. лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует и модели горячей Вселенной. Правда, науке неизвестно, откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Но принятое научным сообществом расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва и это следует расценивать, как огромный мировоззренческий прорыв в интеллектуальном мире.
По предположению Г.А. Гамова все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. По современным же представлениям около 98% существующего в природе гелия образовалось в первые секунды после Большого Взрыва.
С эволюционной точки зрения Вселенная проходит определенные этапы, в ходе которых образуются химические элементы в результате ядерных реакций и их структуры.
Данная модель Вселенной сейчас обосновывается такими экспериментальными наблюдениями.

1. Излучение спектральных линий звезд показывает, метагалактика имеет единый химический состав (77% водорода, 22% гелия, 0,8% кислорода, 0,1% железо и 0,1% на остальные элементы).
2. Спектры элементов удаленных галактик демонстрируют систематическое смещение в красную часть спектра. Смещение линейно растет с увеличением расстояния до галактик.
3. Из космоса регистрируется однородное и изотропное излучение наполняющее все космическое пространство (оно соответствует излучению черного тела с температурой 2,7 К, его плотность составляет примерно 450 фотонов/см3.
4. Распределение галактик в метагалактике соответствует некоторой постоянной плотности, порядка 0,3 барионов/м3. Для сравнения: в нашей Галактике средняя концентрация вещества ~ 1 атом/см3.
5. По косвенным выводам из анализа процессов радиоактивного распада в метеоритах, следует, что некоторые компоненты химического состава метеоритов, возможно возникли 14-24 млрд. лет назад.

По расчетам Гамова, в качестве следов от БВ должно остаться микроволновое излучение малой энергии, соответствующее излучению абсолютно черного тела, нагретого всего лишь до 5 К (около – 268°С).
Экспериментальным подтверждением расчетов стало открытие в начале 1965 г. реликтового излучения с температурой около 3К (американцы А.А. Пензиас и Р.В. Вилсон обнаружили приходящее со всех сторон фоновое излучение, температура которого по современным оценкам около. 2,7 К). Первооткрыватели этого излучения ничего не знали о его космологической значимости, но многие космологи, узнав о нем, отнесли это открытие к фундаментальному (И.С. Шкловский предположил его называть реликтовым, т.е. остаточным от ранних эпох Вселенной).
Наличие реликтового излучения означает, что Большой Взрыв произошел не в отдельной, избранной точке космоса – Большой Взрыв характерен для всего изначального космоса.

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Итак, на ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к тому времени должна была снизиться до 3 К (–270 °С). Это предсказание современной космологии подтвердилось открытием в 1965 г. микроволнового излучения, максимум которого приходится на длину волны

что согласно закону смещения Вина соответствует температуре излучения Т = 2,7 К.