Расширяющаяся Вселенная

Современная космология базируется на работах А. Эйнштейна, А. А. Фридмана и Э. П. Хаббла и опирается на два главных наблюдаемых явления.

1. Галактики и их скопления равномерно распределены во Вселенной.

2. Линии спектров всех галактик (за исключением некоторых галактик из числа самых близких) смещены в красную сторону (красное смещение).

Первое явление подтверждает, что на больших масштабах Вселенная однородна и изотропна. Однородность Вселенной означает, что в произвольных одинаковых объемах содержится равное число галактик. Вселенная изотропна, т. е. в разных направлениях находится одинаковое число галактик.

Если второе явление рассматривать как эффект Доплера, то можно сделать вывод, что все галактики удаляются от нас со скоростью

.

Изучая характер движения галактик, американский астроном Э. П. Хаббл установил, что отношение , определяемое по спектру Галактики, пропорционально расстоянию R до Галактики, т.е. галактики удаляются («разбегаются») со скоростями v, пропорциональными расстояниям до них R:

,

где Н – постоянная Хаббла, характеризующая скорость «разбегания» галактик.

В настоящее время принимают Н = (50 – 100) км×с^–1× Мпк^–1.

Последнее соотношение называют законом Хаббла. Его можно трактовать как подтверждение расширения наблюдаемой области Вселенной – Метагалактики. Значение постоянной Хаббла и закон Хаббла позволяют определить время t, прошедшее с начала расширения Вселенной при условии постоянной скорости расширения t = (10 – 20) млрд лет. Это время примерно характеризует возраст Вселенной. Поскольку галактики имеют положительные скорости, пропорциональные расстояниям, можно сделать вывод, что в прошлом все галактики были ближе друг к другу, а плотность Вселенной была больше. Расширение приводит к охлаждению, т. е. в прошлом Вселенная была не только более плотной, но и более горячей, чем в настоящее время.

Итак, в основе определенных моделей Вселенной должны лежать предположения об ее однородности и изотропности в больших масштабах и основные уравнения и положения теории тяготения Эйнштейна о свойствах пространства-времени и его неразрывной связи с движущейся материей.

В 1922 – 1924 гг. на основе представлений об однородной, изотропной, бесконечной Вселенной и теории тяготения Эйнштейна советским математиком А. Фридманом получены теоретические результаты, свидетельствующие о том, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна быть нестационарной. С течением времени она должна либо неограниченно расширяться, либо сжиматься. Но эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия красного смещения, т. е. эффекта «разбегания» галактик. Из интерпретации закона Хаббла следует, что в некоторый момент времени в далеком прошлом все расстояния обращались в нуль. Отдельные галактики, звезды и другие небесные тела не могли существовать как изолированные объекты. Этот момент времени был моментом начала расширения Вселенной.

Таким образом, в настоящее время Вселенная расширяется. Этот процесс из-за сил гравитации протекает с замедлением. Расширение Вселенной приводит к снижению плотности и уменьшению замедления. Существуют два сценария будущего Вселенной: 1) плотность вещества во Вселенной достаточно мала и замедление мало – расширение будет протекать неограниченно долго; 2) плотность вещества во Вселенной достаточно велика, велико и замедление расширения – расширение прекратится и сменится сжатием. Критическая плотность вещества отделяет один сценарий от другого (теоретические расчеты показывают, что ). Если наблюдения покажут, что плотность вещества в настоящий момент , то расширение должно смениться сжатием, при расширение будет длиться бесконечно долго. На основе существующего уровня наших знаний о распределении вещества во Вселенной принято считать, что реальная средняя плотность чуть меньше критической плотности. Если это представление верно, то реализуется второй сценарий – расширение будет протекать неограниченно долго.

Средняя плотность вещества влияет на геометрические свойства Вселенной, т. е. степень искривления пространства зависит от массы тяготеющего вещества – чем больше масса, тем сильнее кривизна. При больших массах кривизна может стать настолько велика, что приведет к «свертыванию» пространства. Пространство становится конечным, но безграничным. Если масса мала, то «свертывания» пространства не происходит и пространство является бесконечным. Первый случай отвечает «замкнутому» миру, второй – «открытому».