Лекция 17. Происхождение и эволюция Вселенной.

1. Строение Вселенной.

Вселенная в современном понимании – это мир галактик. Галактики (кроме самых близких, таких как Туманность Андромеды) не стоят на месте, а удаляются друг от друга. Это открытие было сделано Хабблом в 1927-1929 гг. по обнаруженному им красному смещению в спектрах принимаемого от галактик света (эффект Доплера). Это означает, что Вселенная расширяется. Скорость разбегания галактик зависит от расстояния до них по простому закону

,

где Н = 65  10 км/сек/Мпс – постоянная Хаббла. Она не зависит от направлений и расстояний в пространстве, но могла меняться со временем, предположительно по закону 1/t. Получается, что дальние галактики разлетаются со скоростью, близкой к скорости света с. Так, находящиеся на периферии Вселенной квазары – мощные источники электромагнитного излучения, представляющие собой очень активные ядра далеких галактик, удаляются от нас со скоростями порядка 200 000 км/с.

Вселенная, видимо, конечна и имеет определенный возраст. Возраст Вселенной оценивается примерно в 10 млрд лет (последние данные 2003 г. – 13.7  0.2 млрд лет). Свет от самых дальних объектов, который мы видим сейчас, был испущен не ранее этого времени, следовательно, границы Вселенной лежат на расстоянии около 13 млрд световых лет от нас. Это – космологический горизонт.

Галактики в большинстве, а возможно и все, собраны в группы или скопления, а те – в сверхскопления. Сверхскопления – самые крупные образования, наблюдаемые во Вселенной, иерархия астрономических систем не продолжается к сколь угодно большим масштабам, а является ограниченной сверху.

Исключительную важность представляет тот факт, что скопления и сверхскопления распределены в пространстве равномерно. Если мысленно выделить в объеме Вселенной области с размером в 300 млн световых лет, то окажется, что в каждой из них число галактик, скоплений и сверхскоплений примерно одинаково. Это означает, что Вселенная однородна в среднем по большим масштабам, нет особых, выделенных направлений. Объем поперечником в 300 млн световых лет называют ячейкой однородности во Вселенной.

Оценка средней плотности светящегося вещества звезд во Вселенной дает число примерно в 10^-28 кг/м³. В среднем на каждые 10 м³ пространства приходится 1 атом водорода.

Кроме звезд, в галактиках имеется еще скрытая масса, которая проявляет себя только гравитацией. Ее называют темным веществом, открыто оно было в 70-х – 80-х гг. ХХ в., природа его пока неясна. Масса темного вещества примерно в 10 раз больше суммарной массы звезд, следовательно его плотность – порядка 10^-27 кг/м³.

Итак, Вселенная – это однородный, расширяющийся мир галактик, который выглядит одинаково для наблюдателя, находящегося в любой его точке.

2. Гипотезы о возникновении Вселенной.

Общепринятую сейчас модель расширяющейся Вселенной сформулировал в 1922 г., еще до открытия Хаббла, А.А.Фридман. Впоследствии выяснилось, что существует целое семейство решений, описывающих поведение расширяющейся Вселенной, и все они получили название фридмановских.

Модель Фридмана основывается на следующих положениях:

• Космологический принцип однородности и изотропности пространства (Вселенная выглядит одинаково из любого места, в любом направлении и в любой момент времени).

• Принцип конечной скорости протекания любых процессов.

• Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи (справедливость ОТО).

• Принцип нестационарности Вселенной.

Фридман рассчитал некоторое критическое значение плотности вещества Вселенной _кр..

• При _. Вселенная должна бесконечно расширяться из некоторой начальной точки, пространство не искривлено.

• При _. также имеет место неограниченное расширение, но пространство имеет отрицательную кривизну.

• При _. пространство имеет положительную кривизну, а Вселенная периодически расширяется и сжимается.

В момент своего рождения Вселенная имела бесконечно малые размеры, следовательно, ее плотность и температура были бесконечны. При таких условиях не выполняются и вообще не имеют смысла никакие известные нам физические законы. Говорят, что Вселенная представляла из себя сингулярность. Математически доказано, что понятие сингулярности – необходимый компонент любой модели расширяющейся Вселенной. В состоянии сингулярности бессмысленно также и понятие времени, поскольку время – атрибут материи, а ее еще не существовало.

Момент начала времени называют Большой Взрыв. В моделях пульсирующей Вселенной есть и понятие конца, обрыва времени в тот момент, когда расширение сменяется сжатием.

Гипотезу Большого Взрыва называют также моделью горячей Вселенной, или стандартной моделью. Она была выдвинута Г.Гамовым. Согласно этой гипотезе, эволюция Вселенной подразделялась на этапы (эры):

Адронная эра. Длительность 10^-7 с, температура 10³² К. Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из частиц (адронов), испытывающих сильное взаимодействие.

Лептонная эра. Длительность 10 с, температура 10¹⁵ К. Главные действующие лица – лептоны.

Эра излучения. Длительность 1 млн лет, температура 10⁴ К. Вещество ионизировано, во Вселенной преобладает излучение.

Эра вещества. Длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и остывает. Образуются протозвезды и протогалактики. В недрах звезд в результате термоядерных реакций синтезируются тяжелые элементы, которые при взрывах звезд разбрасываются в окружающее пространство и служат материалом для различных космических объектов.

Экспериментальным подтверждением гипотезы Большого Взрыва служит красное смещение в спектрах галактик и реликтовое излучение, открытое в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном, соответствующее остаточной температуре около 3 К.