Основы космологии и космогонии. Концепция Большого взрыва

Космос - на бытовом и техническом уровне - окружающее Землю пространство с планетами, звездами. Но мы все более возвращаемся к первоначальному смыслу древнегреческого слова космос (греч. κοσμος- мир, Вселенная) - мир, как структурно организованное целое, гармония, порядок. В таком понимании космос - противоположность не Земле, а противоположность беспорядку, хаосу.

Космология (греч. λογος - учение) - наука о Вселенной как едином целом и об охваченной наблюдениями части Вселенной.

Космогония (греч. γονη - рождение) - наука о происхождении и развитии Вселенной и космических объектов.

В 1922-24 гг. А.А. Фридман (сов.) на основе общей теории относительности показал, что Вселенная, заполненная тяготеющей материей в виде вещества и поля, должна быть нестационарной, то есть расширяться или сжиматься.

В 1929 году Э. Хаббл (амер., известен также тем, что первый обнаружил иную галактику - ею оказалась ранее известная туманность Андромеды) открыл, что спектральные линии в излучении звезд сдвинуты в сторону больших длин волн (к красному концу спектра) по сравнению с линиями в спектре излучения неподвижных веществ (явление красного смещения). Известно, что если источник излучения движется, то воспринимаемая наблюдателем длина волны уменьшается (источник приближается), либо увеличивается (источник удаляется). Этот эффект называется эффектом Х. Доплера (австр.) и мы его замечаем, слушая звук гудка проходящего мимо нас поезда.

Так как длина волны излучения звезд, наблюдаемых во всех направлениях, увеличивается и тем больше, чем больше расстояние до звезды, то, следовательно, Вселенная на данном этапе расширяется.

Характеристика красного смещения: , где - длины волн спектральной линии, испущенной движущимися и неподвижными источниками.

Если , то скорость движения звезды , и, обобщая результаты наблюдений, Хаббл установил, что

, (4.1)

где r - расстояние до звезды, H - постоянная Хаббла.

По современным данным

H=50 ÷ 100 км/(с·Мпк)=(1.62 ÷ 3.24)·10^-18 с^-1, (4.2)

где 1 Мпк=10⁶ пк - мегапарсек, а парсек - расстояние до точки, из которой радиус земной орбиты, перпендикулярный линии наблюдения, виден под углом (параллаксом), равным одной угловой секунде 1˝.

В астрономии и космологии, кроме парсека, используют такие единицы длины, как астрономическая единица (а.е.) - расстояние между центрами Земли и Солнца, и световой год (св.г.) - расстояние, проходимое в вакууме светом за 1 год. Связь этих величин друг с другом и основной единицей длины системы СИ - метром, такова:

1 а.е.=149.5 млн. км=149.5·10⁹ м,

1 св.г. =63 290 а.е.=9.5 трлн. км=9.5·10¹⁵ м,

1 пк=3.26 св.г.=206 265 а.е.=3.09·10¹⁶ м.

Из закона Хаббла (4.1) следует, что , то есть величина , имеющая размерность времени, характеризует время «разбегания» звезд на расстояние r со скоростью , то есть возраст Вселенной при условии, что скорость и постоянная Хаббла не зависят от времени. При указанном интервале значений постоянной Хаббла (4.2) возраст Вселенной составляет от 9,8 млрд. лет до 19,6 млрд. лет; при среднем значении постоянной Хаббла H=75 км/(с·Мпк) получаем =13,1 млрд. лет.

Чтобы охарактеризовать расширение Вселенной, используют либо так называемый масштабный фактор , например, расстояние между двумя определенными галактиками, либо кривизну Вселенной, обратно пропорциональную квадрату масштабного фактора (кривизна ~ ).

Важнейшим в теоретической космологии является предположение (космологический постулат) о неизменности свойств Вселенной во всех точках и по всем направлениям, то есть о ее однородности и изотропности.

По теории Фридмана возможны два варианта (сценария) эволюции Вселенной:

- кривизна пространства положительна, Вселенная конечна, но безгранична, ее расширение должно замедлиться и смениться сжатием (замкнутая модель Вселенной);

- кривизна пространства отрицательна (в пределе при равна нулю), Вселенная бесконечна и постоянно расширяется (открытая модель Вселенной).

Обе модели иллюстрируются графиками на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Зависимости масштабного фактора R (сплошная линия) и кривизны пространства (пунктир) от времени t для замкнутой (а) и открытой (б) моделей Вселенной.

Выбор той или иной модели зависит от соотношения средней плотности материи во Вселенной и так называемой критической плотности

, (4.3)

где G=6.67·10^-11 м³/(кг·с²) - гравитационная постоянная.

При мир замкнут, при открыт. По указанному интервалу значений H находим, что

=(4.7÷18.8)·10^-27 кг/м³,

а по современным астрономическим данным

=(0.1÷10)·10^-27 кг/м³,

то есть сказать, замкнута или открыта Вселенная, мы сейчас еще не можем.

Нельзя дать ответ и на вопрос о возрасте Вселенной. При постоянной скорости расширения он составлял бы, как показано выше, ~13 млрд. лет, но по обоим сценариям эволюции Вселенной раньше расширение шло быстрее, то есть возраст Вселенной должен быть меньше. При 8,7 млрд. лет, а при еще меньше.

Встает вопрос о ранних стадиях эволюции, когда размер Вселенной стремился к нулю.

В 40-х гг. Г. Гамов (амер.), предложил ставшую затем (с 60-70 гг.) общепринятой модель «горячей» (на начальном этапе) расширяющейся и при этом остывающей изотропной Вселенной, возникшей в результате Большого Взрыва.

Анализ процесса расширения Вселенной современная наука начинает с так называемых планковского времени и длины

~10^-44 с и ~10^-35 м,

где =1.05·10^-34 Дж·с - постоянная Планка h, деленная на , так как есть основания считать, что и являются наименьшими неделимыми отрезками (квантами) времени и длины и для меньших промежутков времени и длины невозможны или теряют смысл все понятия и законы современной науки.

При плотность вещества стремилась к бесконечности, а температура была порядка планковской температуры 1.2·10³² К, при которой энергия теплового движения частиц (из молекулярной физики известно, что ~ , где k=1.38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана) была столь велика, что ее хватало на рождение при соударениях элементарных частиц с колоссальной энергией покоя 1·10²⁸ эВ=10¹⁹ ГэВ и очень большой для частиц массой покоя 18.4·10^-6 г, неизвестных современной науке.

К моменту 0.01 с (завершение периода очень ранней Вселенной) средняя плотность материи должна была снизиться до ~10¹³ кг/м³, а температура понизиться настолько, что в результате распада массивных частиц образовалась смесь электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино, фотонов с примесью нуклонов (протонов и нейтронов). При дальнейшем расширении и остывании энергия теплового движения нуклонов стала меньше энергии их связи в ядре и образовалась смесь ядер водорода ₁H¹ и гелия ₂He⁴ в соотношении 2:1 по массе или примерно 10:1 по числу частиц в пользу водорода. Для образования атомов температура была еще слишком велика и смесь электронов и ядер представляла собой высокотемпературную плазму.

Образованием именно ядер водорода и гелия на ранних стадиях эволюции объясняется их огромное преобладание в современной Вселенной: они составляют приблизительно 99,9% массы всего вещества.

Примерно через 1 млн. лет после Большого Взрыва энергия теплового движения частиц снизилась до энергии связи электронов и ядер в атомах, и образовались атомы водорода и гелия. Поскольку плазма непрозрачна, а атомарные газы прозрачны для электромагнитного излучения (фотонов), то с этого времени фотоны, возникшие на ранних стадиях, получили возможность свободно распространяться во Вселенной и должны были бы до сих пор создавать изотропное (одинаковое по всем направлениям) излучение, обнаружение которого подтвердило бы верность данной теории.

В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон (амер., Нобелевская премия 1978 г.) обнаружили это так называемое реликтовое излучение, которое оказалось почти изотропным и по своему спектру соответствует тепловому излучению абсолютно черного тела с абсолютной температурой 3 К. Реликтовое излучение и красное смещение - экспериментальная основа концепции горячей расширяющейся изотропной Вселенной.

В рамках этой концепции с использованием общей теории относительности было доказано, что после возникновения атомов неоднородности в пространственном распределении материи могли привести в результате гравитационного притяжения частиц к областям случайного уплотнения к формированию огромных сгустков (газопылевых облаков), из которых впоследствии образовались галактики, звезды и планеты.

В недрах звезд при очень высокой температуре происходит слияние ядер легких элементов в ядра более тяжелых (термоядерный синтез или нуклеосинтез). То есть звезды являются «фабриками» по выработке различных элементов из водорода и гелия, возникших на ранней стадии. Истечение частиц с поверхности звезд (звездный ветер), сбрасывание внешней оболочки или взрыв некоторых звезд рассеивают элементы в пространстве, а из газопылевых облаков вновь формируются звезды и планеты, на которых уже имеется набор разнообразных элементов.

У современной космогонии множество нерешенных проблем и задач.

Во-первых, в эксперименте невозможно воссоздать условия, имевшиеся в ранней Вселенной и проверить ту или иную гипотезу.

Во-вторых, расчеты показывают, что для образования галактик из-за неоднородности распределения материи ее средняя плотность должна значительно превышать реально наблюдаемую. Поэтому возникла проблема обнаружения во Вселенной, кроме наблюдаемой, также и скрытой (ненаблюдаемой, «темной») материи. Возможно, недостающая плотность обусловлена наличием хотя бы небольшой массы покоя у нейтрино, в огромном количестве движущихся во Вселенной. Имеются первые, но не вполне достоверные, свидетельства о наличии массы покоя у нейтрино. Возможно, недостающая плотность обусловлена массой черных дыр. Возможно, верна полуфантастическая гипотеза о том, что на ранней стадии эволюции при возникновении основного набора элементарных частиц одновременно возникали «зеркальные» частицы (не путать с античастицами!), которые участвуют только в гравитационном, но не участвуют в других взаимодействиях (электромагнитном, сильном, слабом) с обычными частицами, и поэтому ничем, кроме гравитации, в нашем мире себя не проявляют. То есть, возможно, имеется другая Вселенная, сосуществующая с нашей и обнаруживающая себя лишь в дополнительном притяжении. По этой гипотезе в местах скопления обычной материи должно быть мало «зеркальной» и наоборот. Так, примесь «зеркальной» материи в Солнце должна быть порядка 10^-6 по массе, но этого достаточно, чтобы образовать планету, движущуюся внутри Солнца. Гравитационное воздействие такой планеты могло бы, в частности, объяснить наблюдаемые периодические пульсации солнечной поверхности.

В-третьих, пока не удается объяснить, почему в исследованной части Вселенной вещество значительно преобладает над антивеществом, частицы которого по всем параметрам, кроме знака заряда и некоторым другим, тождественны обычным частицам и, казалось бы, должны были возникнуть в таком же количестве. Возможно, в отдаленных частях Вселенной существуют области, где преобладает антивещество, но, что более вероятно, этот факт свидетельствует о принципиальной асимметрии свойств микромира.

Наконец, остается нерешенной проблема описания исходного состояния Вселенной, называемого сингулярностью, причин и механизма Большого Взрыва.