Сліди Великого Вибуху підтверджують існування темної енергії

Параметри мікрохвильового фонового, або реліктового, випромінювання підтвердили теорію про існування темної енергії і темної матерії. Таку заяву зробили учені, що опублікували результати тривалого спостереження цього випромінювання в журналі The Astrophysical Journal.

Мікрохвильове фонове випромінювання рівномірно заповнює космічний простір. Вважається, що воно залишилося з часів Великого Вибуху. Експериментальне реліктове випромінювання було виявлено у 1965 році. Вивчення його параметрів може дати астрономам інформацію про перші моменти життя Всесвіту. Однією з особливих характеристик реліктового випромінювання є високий ступінь ізотропності. Іншими словами, властивості реліктового випромінювання однакові на всіх напрямках.

Проте, деякі параметри мікрохвильового фонового випромінювання не є абсолютно однорідними. Автори нової роботи, що працюють в рамках експерименту QUaD (QUEST at DASI - назва експерименту походить від назви двох приладів), зосередилися на вивченні його температури і поляризації - спрямованості коливань векторів електромагнітного випромінювання. Сонячне випромінювання, наприклад, є неполяризованим, оскільки складається з хвиль з різною поляризацією.

Вважається, що початкове мікрохвильове фонове випромінювання також було неполяризованим. Проте при зіткненні з рухомою матерією в реліктовому випромінюванні утворилося "зміщення" поляризації. Складена учасниками проекту QUaD карта мікрохвильового фонового випромінювання містить докладні дані про його поляризацію. Вивчення цього параметра дозволило дослідникам зробити висновки щодо особливостей розподілу і руху матерії в зовсім юному Всесвіті.

За твердженнями вчених, їхні дані підтверджують космологічні гіпотези, що включають темну енергію і темну матерію. Деякі оцінки припускають, що темна матерія і темна енергія сумарно складають до 95 відсотків маси-енергії Всесвіту. Жодне з цих явищ на даний момент не виявлене експериментально.

Будова Всесвіту

Серед небесних тіл найвиразніше виділяються зірки, завдяки світлу, яке вони випромінюють. Зоряна речовина перебуває у стані плазми — електропровідного намагніченого середовища. У надрах зірок температура сягає десятків мільйонів градусів. Еволюція зірок включає такі фази: протозірка, утворення в центрі цього утворення термоядерного вогнища, основна фаза вигорання водню у термоядерних реакціях, перетворення зірки в червоного гіганта, а потім — в білого карлика (для зірок — аналогів Сонця), колапс масивних зірок з вибухом «наднових» та виникненням нейтронних зірок і колапсарів — «чорних дірок».

Всесвіт

Деякі зірки мають супутники — планети або подібні до них масивні тіла і утворюють разом з ними системи, аналогічні до нашої Сонячної. При забезпеченні низки сприятливих умов на планетах може виникнути життя, як це має місце на Землі.

Найближчі до Землі зірки обертаються навколо загального центру мас, утворюючи загалом велетенську зоряну систему — галактику Чумацький Шлях, радіус якої сягає 4·10²² км. Загальна кількість зірок у нашій Галактиці близька до 10¹¹. Тривалість основної фази вигорання гідрогену у термоядерних реакціях коливається в межах 8·10⁶ — 70·10⁹ років. Окрім нашої Галактики, до якої входить наша Сонячна система, виявлено багато інших галактик та зоряних систем, які утворюють велетенську космічну систему — Метагалактику (декілька мільярдів галактик).

Зірки та інші астрономічні об'єкти займають тільки незначну частину об'єму Всесвіту. Більшість Всесвіту займає міжзоряний простір — області, заповнені в основному електромагнітним випромінюванням і нейтрино з незначною кількістю атомів баріонної речовини, в основному атомів водню.

[ред.] Склад

Усі зірки складаються з однакових елементів, які відомі на Землі. Найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті є гідроген, йому поступаються по черзі: гелій, оксиген, карбон, нітроген. Повсюди у Всесвіті відбувається обмін речовиною і променевою енергією. Поширеність хімічних елементів у Всесвіті пов'язана з історією їх утворення в процесі нуклеосинтезу.

Аналіз сучасних астрономічних даних про рух галактичних скупчень виявив його несумісність з уявленнями про кількість речовини у Всесвіті. Однією з теорій, що намагається пояснити розбіжності між спостереженнями та теоретичними розрахунками, є припущення існування у Всесвіті темної матерії та темної енергії. За цією теорією видима баріонна речовина складає тільки приблизно 4% всієї матерії у Всесвіті.

В середньому густина Всесвіту дуже мала — приблизно 9,9·10^-30 г/см³. Це відповідає приблизно одному атому водню на метр кубічний.

[ред.] Розширення

Всесвіт розширюється. Кількісно це розширення описується законом Хаббла, а експериментальне свідчення на користь цього процесу дає червоний зсув. Розширення Всесвіту відбувається не в порожнечу, принаймні наукових свідчень про обмеженість Всесвіту нема. Границі Всесвіту, якщо вони існують, лежать далеко за межами спостережень. Розширення Всесвіту означає лише те, що відстані між астрономічними об'єктами збільшуються. Це розширення в сучасну еру прискорюється. Питання про те, чи зупиниться воно в далекому майбутньому й перейде в стиснення, залишається дискусійним і залежить від загальної кількості матерії у Всесвіті.

Найвіддаленішим від Землі зареєстрованим астрономічним об'єктом є станом на жовтень 2010 галактика UDFy-38135539, відстань до якої дорівнює 13 млрд св.р

. Сучасні моделі Всесвіту

Для вивчення загальних закономірностей розвитку Всесвіту створюються космологічні моделі. Підставою для їх створення є рівняння загальної теорії відносності (ЗТВ), яку обгрунтував Ейнштейн у 1916 році. Утім, було встановлено, що основні характеристики космологічних моделей можна одержати також, виходячи з класичних рівнянь, що виражають (у диференціальній формі) закони збереження маси, імпульсу й енергії. Усього створено більше двох десятків моделей, які поділяються на дві великі групи — стаціонарні й нестаціонарні моделі. Розглянемо основні з них.

Стаціонарні моделі. У цих теоріях, крім першого космологічного принципу, використовується так званий другий космологічний принцип, за яким Всесвіт залишається незмінним незалежно від того, коли ми його спостерігаємо. Незалежність стану Всесвіту від часу й стала причиною появи прикметника "стаціонарний" у назві моделей.

1. Модель Ейнштейна. Рівняння ЗТВ дають можливість обгрунтувати моделі Всесвіту однорідні й ізотропні, але не стаціонарні. Для того, щоб компенсувати гравітаційну силу тяжіння, що діє між будь-якими тілами у Всесвіті, Ейнштейн запропонував нову силу — силу "космічного відштовхування". Ейнштейн довів, що такий Всесвіт може бути стаціонарним, якщо він скінченний, але в той же час і безмежний.

Чи може об'єкт бути скінченним і не мати меж? Може. Наприклад, сфера: площа її скінченна, але меж у неї немає. Ще простіше — коло: довжина його теж скінченна, але ні початку, ні кінця в нього немає. А те, що ми намагаємося собі уявити, математики називають тривимірною межею (гіперсферою) чотиривимірної гіперкулі.

У цього простору немає меж. Точно так само, як рухаючись по поверхні звичайної сфери вздовж будь-якого кола, ми зрештою потрапимо у вихідну точку, так і у Всесвіті Ейнштейна, рухаючись по прямій, ми повернемося до початкового положення.

Рівняння Ейнштейна дозволяють визначити розміри Всесвіту: при густині речовини г/см3 радіус гіперефери R = 3,3 • см.

2. Модель де Сіттера. Буквально через два місяці після опублікування моделі Ейнштейна з'явилася стаття нідерландського астронома Віллема де Сіттера, в якій стверджувалося, що існує ще одне вирішення, яке відповідає стаціонарному замкнутому Всесвіту. У цій моделі увагу привертали три моменти. Перше: швидкість фотона тут залежить від відстані фотона до точки, у якій знаходиться спостерігач, і тому спостерігач ніколи не зможе дізнатися про те, що відбувається далі, за межами якоїсь певної відстані. Друге: модель припускає ефект червоного зміщення. І, нарешті, третє: матеріальні частинки "розбігатимуться" одна від однієї.

3. Модель Хойла. У цій моделі Всесвіт являє собою гіперплощину, яка розширюється. Густина залишається сталою за рахунок "народження речовини" з особливого енергетичного поля.

Теорії стаціонарного Всесвіту можна перевірити, оскільки з них випливає твердження про незмінність усіх статичних параметрів, наприклад, незмінність числа галактик в одиниці об'єму в далеких і близьких частинах Всесвіту, незмінність середньої тривалості життя галактик й ін.

Віддалені частини Всесвіту сучасні спостерігачі бачать такими, якими вони були в далекому минулому. Далекі ділянки виглядають "молодшими", ніж наші найближчі сусіди по космосу, тому що світло від них іде значно довше. Якби вдалося виявити, що колір галактик або їхня яскравість змінюються залежно від відстані, то таке відкриття спростовувало б теорії стаціонарного Всесвіту.

Нестаціонарні моделі. Нестаціонарні моделі мають загальну назву "моделей Ф рід мана". Найважливіші з них такі:

1. Пульсуюча модель. Стадія розширення Всесвіту змінюється стадією стиснення, і навпаки. Після того, як Всесвіт розшириться до певного об'єму, починається стиснення. Воно триває доти, поки густина матерії не досягне деякого граничного значення, після чого знову починається нове розширення, і так до нескінченності. Розширення Всесвіту почалося 15-18 млрд років тому в результаті так званого "Великого Вибуху".

2. Гіперболічна модель. У цій моделі стадія розширення триває як завгодно довго. Обидві моделі принципово не відрізняються одна від однієї, і при їх розгляді напрошується аналогія з рухом тіла, що падає на поверхню Землі.

Якщо єдиною силою в цих космологічних моделях є гравітація, під дією якої об'єкт стискається, а не розширюється, то як же вдалося Фрідману створити моделі Всесвіту, який розширюється? Для того, щоб дістати відповідь на це питання, поспостерігаємо за дитиною, яка підкидає м'ячик угору. Хоч сила земного тяжіння тягне м'ячик униз, він якийсь час летить угору. Відбувається це тому, що хлопчик Альоша надав м'ячику початкової швидкості, спрямованої угору. І підійматися вгору м'ячик буде доти, поки його кінетична енергія не вичерпається. Аналогічно, незважаючи на наявність гравітації, Всесвіт розширюється тому, що на початковому етапі — під час Великого Вибуху — він набув колосальної кінетичної енергії.

Якби не було гравітації, швидкості розбігання галактик залишалися б незмінно великими. Однак, гравітація у Всесвіті існує, і вона спричинює уповільнення розбігання — аналогічно тому, як за рахунок земного тяжіння сповільнюється політ м'яча вгору.

Повернемося до нашого Альоші. Він підкинув м'ячик угору, м'ячик втрачає швидкість, зупиняється, змінює напрямок руху й летить униз, ударяється об землю, відскакує вгору й т.д., тобто рух м'яча циклічний. Гіпотетично можлива й інша ситуація: початкова швидкість м'яча настільки велика, що він переборює силу земного тяжіння й ніколи більше не повертається на Землю. Для Всесвіту ситуація цілком аналогічна. Тут також має значення критичний параметр, від величини якого залежить, чи буде Всесвіт вічно розширюватися, хоча зі швидкістю, яка зменшуватиметься, чи розширення припиниться й почнеться стиснення. Причому після фази стиснення знову може наступити фаза розширення, тобто Всесвіт може "пульсувати".

Таким параметром є критична густина Всесвіту . Якщо густина Всесвіту р менша від критичної то Всесвіт відкритий, тобто весь час розширюється. Якщо ж густина , то Всесвіт закритий — наступає фаза стиснення. На жаль, точно відповісти на це питання вчені поки що не можуть. За сучасними розрахунками, густина Всесвіту трохи менша від критичної, тобто Всесвіт повинен бути відкритим, але тут не враховано так звані "приховані маси", які можуть спричинити суттєві зміни в густині Всесвіту ; тоді вона може виявитися більшою за критичну ( ) За такої умови Всесвіт не буде розширюватися вічно.

Класифікація небесних тіл.