33. Экспериментальные доказательства концепции «Большого взрыва» и расширяющейся Вселенной.

• 1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», в которой он завершил создание релятивистской теории гравитации^[5].

• 1917 — Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной, ввёл космологическую постоянную Λ (физическая постоянная, характеризующая свойства вакуума, которая вводится в общей теории относительности). Де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и её астрономических следствиях».

• 1922 — советский математик и геофизик А. А. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной. У Фридмана возникло предположение, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.

• 1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться.

• 1924 — К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдалённых объектов должна возрастать с их расстоянием^[6].

• 1925 — К. Э. Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надёжными критериями их расстояния

• 1927 — опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Э. Хабблом в 1929.

• 1929 — 17 января в Труды Национальной академии наук США поступили статьи Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало чёткую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.

• 1948 — выходит работа Г. А. Гамова о «горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы лёгкие химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется — только сильно охлаждённым — и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю.

• 1950 году в одной научно-популярной статье (Physics Today, № 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К.

• 1955 — Советский радиоастроном Тигран Шмаонов экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение с температурой около 3K^[7].

• 1964 — американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру. Oна оказалась равной именно 3 К. Это было самое крупное открытие в космологии со времён открытия Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной. Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового; термин ввёл советский астрофизик И. С. Шкловский.

• 2003 — спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ΛCDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %)^[8].

• 2009 — запущен спутник Планк, который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.

34 одель расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивист­ской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 го­ду. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Все­ленной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитацион­ного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так на­зываемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — ре­лятивистская.

Важным пунктом данной модели является ее нестационар­ность. Это определяется двумя постулатами теории относительнос­ти: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерцион­ных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с ка­кими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтверж­денным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расши­ряться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».

Красное смещение — это понижение частот электромагнит­ного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, восприни­маемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соот­ветственно увеличивается. При излучении происходит «покрасне­ние», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных крас­ных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вы­вод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными разме­рами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по мень­шей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна прост­ранства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной явля­ется представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то при­мерно 12 —18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенно­го центра и затем распространяется, захватывая все больше и боль­ше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Все­ленной.-М., 1981.-С. 30).

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингуляр­ная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

35 Происхождение Вселенной

Происхождение Вселенной — любое описание или объяснение начальных процессов возникновения существующей Вселенной, включая образование астрономических объектов(космогонию), возникновение жизни, планеты Земля и человечества. Существует множество точек зрения на вопрос происхождения Вселенной, начиная с научной теории, множества отдельных гипотез, и заканчивая философскими размышлениями, религиозными убеждениями, и элементами фольклора.

Основные этапы развития Вселенной

Большое значение для определения возраста Вселенной имеет периодизация основных протекавших во Вселенной процессов. В настоящее время принята следующая периодизация^[2]:

• Самая ранняя эпоха, о которой существуют какие-либо теоретические предположения, это планковское время (10⁻⁴³ с после Большого взрыва). В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий. По современным представлениям, эта эпоха квантовой космологии продолжалась до времени порядка 10⁻¹¹ с после Большого взрыва.^[⇨]

• Следующая эпоха характеризуется рождением первоначальных частиц кварков и разделением видов взаимодействий. Эта эпоха продолжалась до времён порядка 10⁻² с после Большого взрыва. В настоящее время уже существуют возможности достаточно подробного физического описания процессов этого периода.

• Современная эпоха стандартной космологии началась через 0,01 секунды после Большого взрыва и продолжается до сих пор. В этот период образовались ядра первичных элементов, возникли звёзды, Галактики, Солнечная система.

Важной вехой в истории развития Вселенной в эту эпоху считается эра рекомбинации, когда материя расширяющейся Вселенной стала прозрачной для излучения. По современным представлениям это произошло через 380 тыс. лет после Большого взрыва. В настоящее время это излучение мы можем наблюдать в виде реликтового фона, что является важнейшим экспериментальным подтверждением существующих моделей Вселенной.

36. Образование Солнечной системы

В 1755 г. философ Иммануил Кант (1724-1804) высказал предположение о том, что большую роль в образовании планет сыграла конденсация материи в диске, вращающемся вокруг Солнца. Сам диск сформировался в центре облака, в состав которого входили газ и затем пыль. В 1796 г. французский астролог Пьер Симон де Лаплас (1749-1827) предположил, что Солнце спродуцировало серию газообразных колец, которые, в свою очередь, после конденсации стали основой планет. Постепенно вокруг разных планет образовалась вращающаяся туманность, из которой сформировались естественные спутники.

Согласно воззрениям современных астрологов, Солнечная система зародилась из туманности, в состав которой входили газ и частицы пыли. Под воздействием внешнего фактора – не исключено, что это был взрыв близлежащей сверхновой звезды, – туманность начала саморазрушаться. По мере возрастания плотности гравитация усилила процесс разрушения. Все это происходило на фоне медленного вращения, что придало туманности форму диска, в центре которого находился прообраз Солнца. Температура в центре начала повышаться и, наконец, достигла уровня, при котором начали происходить ядерные реакции. От частиц к планетам Первые небесные тела, сформировавшиеся в туманности, имели различные размеры – от нескольких километров до нескольких сот километров. Их называют «планетизмы», следующая стадия их развития – «пропланеты» – прообразы современных планет. Итак, планетизмы представляли собой крупные сгустки массы. Они не обладали достаточной гравитацией для того, чтобы принять сферическую форму. Их форма была неправильной. Затем в течение десятков тысяч лет крупные небесные массы продолжали увеличиваться, их диаметр достиг 100-500 км. Это уже прообразы планет. Постепенно Они принимали шарообразную форму. Существует мнение, что планетам земной группы понадобилось 100 миллионов лег, чтобы от крупных размеров перейти к современным. Следует отмстить, что не из всех крупных небесных масс образовались планеты. Некоторые каменистые и металлосодержащие тела не увеличили массу, а частично превратились в астероиды. Тела, содержащие лед, сгруппировались и образовали ядра комет, большая часть которых притягивается к Солнечной системе из-за гравитации больших планет.

Тепло и холод Солнце сформировалось и начало излучать энергию около 4,5 миллиарда лет назад. Исходящее от Солнца тепло оказало влияние на состав газа и мельчайшей пыли в различных зонах туманности. Температура в ее центре была очень высокой, в результате небесные фрагменты пришли в твердое состояние. При достижении 1000 °С элементы типа железа начали конденсироваться. Из-за низких температур стали образовываться тела изо льда. Таким образом, солнечная туманность имела разный состав в зависимости от удаленности от Солнца. Считается, что для формирования каждой планеты подходила определенная температура: для Меркурия – 1100 °С, для Венеры – 600 °С, для Земли – 300 °С, для Марса – 100 °С и для Юпитера – 100 °С. И Юпитер, и Сатурн сохранили процентное соотношение газообразных водорода и гелия, аналогичное первоначальной туманности. Кроме того, у них много естественных спутников, в основном состоящих изо льда. Из этого следует, что в этой части молодой Солнечной системы средняя температура была не выше 0 °С.

Ядра планет-гигантов находились в области высокой плотности солнечной туманности. В результате последующего гравитационного коллапса окружающего газа образовались планеты с каменистыми ядрами, окруженные оболочками из водорода и гелия. Юпитер и Сатурн приобрели очень крупные размеры, так как могли притягивать газ в больших количествах. Уран и Нептун, находящиеся в менее плотных частях туманности, развивались медленнее, набирая газ в значительно меньших количествах.

Атмосфера Первоначальные атмосферные слои значительно отличались от современных. Основная часть газов образовывалась в результате извержения вулканов. В атмосферу Земли входили водяной пар, водород, окись углерода, углекислый ангидрид и азот. Большая часть водорода давно исчезла из атмосферы Земли, аналогичная ситуация сложилась и на других планетах. Земная атмосфера очень изменилась в процессе эволюции. Она обогатилась кислородом и приобрела современный состав в результате фотосинтеза и взаимодействия с живыми организмами. На эволюцию атмосферы различных планет повлияли также их размеры и положение в Солнечной системе. Например, у Меркурия атмосфера практически отсутствует, поскольку он расположен слишком близко к Солнцу Атмосфера Венеры – плотная, в ее состав входит углекислый газ, он поглощает жар Солнца, в результате температура атмосферы этой планеты превышает земную. Гравитация на Марсе низкая, в связи с этим планета может удерживать лишь легкие газы – водород и гелий. Но в атмосфере Марса присутствуют также азот и двуокись углерода. Содержание в атмосфере планет-гигантов водорода и гелия объясняется их огромной массой.

37. Рождение и эволюция звезд