Современные космологические модели Вселенной.

Вселенная — весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.

Дадим ещё одно определение Вселенной по выдающемуся химику ХХ века, лауреату Нобелевской премии Л. Полингу: вселенная состоит из материи и излучения. Материю можно определить как любой вид массы-энергии, движущейся со скоростями, меньшими скорости света, а излучение — как любой вид массы-энергии, движущейся со скоростью света.

В настоящее время наибольшее признание в научном мире получила однородная изотропная модель нестационарной горячей Вселенной. В основе этой модели лежит общая теория относительности А. Эйнштейна, на которой мы подробно остановимся в следующей теме.

Однородная и изотропная модель, потому что во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. все точки и направления равноправны.

Горячая модель, потому что речь идёт о высоких значениях плотности и температуры в момент возникновения Вселенной. По современным представлениям Вселенная возникла в результате Большого взрыва в точке сингулярности. Т.е. должно было существовать особое начальное состояние — сингулярность с огромной плотностью массы и кривизной пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение. В условиях очень высокой температуры (Т>10¹³ К) вблизи сингулярности могла существовать лишь равновесная смесь разных элементарных частиц. Уравнения космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и изменение её физических параметров в процессе расширения. Расширение вначале происходило с большой скоростью, поэтому высокие плотность и температура могли существовать очень короткое время. В результате Большого взрыва образовалась первичная материя, из которой затем сформировались протозвёзды и протогалактики.

Нестационарная модель, потому что Вселенная расширяется. Расширение Вселенной — самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Впервые предположение об этом сделал в 1922-1924 гг. советский учёный А.А. Фридман. Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной – она должна расширяться или сжиматься. Эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия американского астронома Э. Хаббла своего закона. В 1929 г., исследуя периодически пульсирующие в соседних галактиках звёзды-цефеиды, определил расстояние до этих галактик, а по измерениям красного смещения (линии спектра атома водорода смещаются в длинноволновую область при убегании галактики, явление, известное как эффект Х. Доплера) установил их скорости. Когда он построил график, на котором скорости галактик были отложены в зависимости от расстояния до них, оказалось, что взаимосвязь этих двух величин выражается на графике прямой линией: чем дальше от нас галактика, тем больше её скорость. Закон Хаббла утверждает, что чем быстрее движется галактика, тем более она удалена: v = Hr, где v — скорость удаления галактики, r — расстояние до неё, H — постоянная Хаббла. По современным оценкам H заключено в пределах 50 км/(с×Мпк) < H < 100 км/(с×Мпк).

Если допустить, что в прошлом расширение Вселенной происходило теми же темпами, что и сейчас, то можно рассчитать, когда началось расширение. В этом случае величина, обратная постоянной Хаббла (1/ Н), даёт нам представление о времени начала расширения Вселенной. Этот промежуток времени по разным оценкам составляет 13-20 млрд. лет.

Прекратиться ли когда-нибудь расширение Вселенной или же оно будет длиться вечно? В настоящее время ещё нет определённого ответа на этот вопрос. Всё зависит от соотношения между средней плотностью вещества во Вселенной и критической плотностью ρ_кр = 10^-29 г/см³ .

Зная среднюю плотность во Вселенной и сравнив её с ρ_кр можно предсказать будущую судьбу нашей Вселенной: при ρ < ρ_кр , расширение будет продолжаться неограниченно долго, а при ρ > ρ_кр рано или поздно наступит сжатие: вместо красного смещения в спектрах галактик будет наблюдаться голубое и в конце концов Вселенная вернётся к сверхплотному состоянию, из которого она начала своё расширение.

Если всё светящееся, а значит, видимое вещество равномерно распределить по Вселенной, то получится значение плотности ρ = 3×10^-31 г/см³, которое меньше ρ_кр. Но, как показывают наблюдения, во Вселенной существуют какие-то формы трудно обнаруживаемой материи (скрытые массы). Это могут быть остывшие звёзды, межзвёздный газ или какие-то экзотические формы материи: первичные чёрные дыры или ещё не открытые на Земле элементарные частицы. Поэтому не исключено, что полная средняя плотность вещества во Вселенной близка к ρ_кр или даже больше.

Доказательством однородной изотропной модели нестационарной горячей Вселенной принято считать обнаружение в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Уиллсоном (Нобелевская премия 1967 г.) реликтового излучения. Интенсивность этого излучения не зависит от направления, в котором его наблюдают исследователи с Земли, т.е. изотропно в пространстве, а его интенсивность излучения очень мала и соответствует излучению чёрного тела с температурой 3 К.

Но возникает вопрос: что же было до Большого взрыва? Из чего возникла Вселенная? В Библии утверждается, что Бог создал всё из ничего. Как ни удивительно, современная наука допускает, что всё могло создаться из ничего, при этом под словом «ничего» понимается вакуум. Вакуум по современным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определённых условиях «порождать» вещественные частицы. Вакуум может приходить в возбуждённое состояние, вследствие чего в нём может образоваться поле, а из него возникнуть вещество. Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из возбуждённого вакуума.

Выводы:

1. Среди структурных уровней организации материи в астрономии обычно выделяют: планеты, звёзды, галактики, метагалактику;

2. Звёзды — это раскалённые газовые (плазменные) шарообразные небесные тела, находящиеся в гидродинамическом и тепловом равновесии. Гидродинамическое равновесие обеспечивается равенством сил тяготения и сил внутреннего давления, действующих на каждый элемент массы звезды. Тепловое равновесие соответствует равенству энергии, выделяемой из недр звезды, и энергии, излучаемой с её поверхности;

3. Звёзды эволюционируют и эволюция звёзд необратима. В недрах звёзд происходят мощные термоядерные реакции, обеспечивающие выделение огромного количества энергии. В конечные этапы жизни звёзд в них возникают некие упорядоченные состояния, которые не могут быть описаны классической физикой;

4. В состав Солнечной системы входит Солнце, 9 больших планет вместе с 44 спутниками, более 100 тысяч астероидов (малых планет), порядка 10¹¹ комет, а также бесчисленное множество метеорных тел. Закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на единое происхождение системы в целом;

5. Галактика — гравитационно связанная совокупность звёзд и межзвёздного вещества. Многие из галактик входят в состав галактических скоплений, а те в свою очередь, в состав сверхскоплений. Сверхскопления складываются в нити и ленты, придавая Вселенной в самом грандиозном масштабе губчатую структуру;

6. Вселенная состоит из материи и излучения. Материю можно определить как любой вид массы-энергии, движущейся со скоростями, меньшими скорости света, а излучение — как любой вид массы-энергии, движущейся со скоростью света. В настоящее время наибольшее признание в научном мире получила однородная изотропная модель нестационарной горячей Вселенной.

Контрольные вопросы:

1. Выделите основные структурные уровни организации материи в мегамире и дайте им характеристику.

2. Эволюция звёзд, как она происходит?

3. Что такое чёрные дыры и почему их поиск во Вселенной является важнейшей проблемой астрономии?

4. Какие закономерности устройства Солнечной системы вам известны?

5. Что такое галактика? Каково строение нашей Галактики?

6. Какая модель Вселенной разработана в современной астрономии?