 |
Современные космологические модели вселенной
|
|
|
|
Классическая космология исходила из утверждений абсолютности и бесконечности пространства и времени, а также неизменности и вечности Вселенной.
Вопрос об эволюции Вселенной в целом не ставился – теория стационарного состояния Вселенной.
В 19 веке классические космологические представления столкнулись с 2-мя парадоксами, связанными с постулатом о бесконечности Вселенной.
1. Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна, то и силы тяготения между телами должны быть бесконечны, что должно привести к коллапсу, т.е. Вселенная не могла бы существовать вечно
2. Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число небесных тел, а значит, светимость неба тоже должна быть бесконечной, однако этого не происходит.
Эти парадоксы – следствия неправомерного распространения законов классической физики на всю Вселенную, поэтому требовалось не уточнение классической физики, а создание новой теории тяготения. Ей стала общая теория относительности Эйнштейна, которая положена в основу современной (релятивистской) космологии, которая пришла на смену классической.
Первую космологическую модель, основанную на новой (релятивистской) теории тяготения в 1619 году предложил сам Эйнштейн – релятивистская стационарная теория. Он отказался от постулатов классической космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени, но сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по его мнению, зависят от распределения гравитационных масс. Вселенная безгранична, но конечна в замкнутом пространстве. Время существования Вселенной – бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца.
|
|
|
Первым от постулата о стационарности Вселенной отказался А. Фридман.
В 1922 году, решая уравнения общей теории относительности, он получил неожиданный результат: Вселенная не стационарна и обладает переменным во времени радиусом кривизны пространства. Он предположил, что мировое пространство аналогично поверхности сферы, радиус которой растет со временем. Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменятся со временем. Расстояния между галактиками не могут оставаться постоянными. Вследствие наличия силы тяготения они должны либо удаляться, либо сближаться.
Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Вывод Фридмана о стационарности Вселенной получил подтверждение. В 1925 году американский астроном Хаббл при исследовании спектров далеких галактик обнаружил, что чем больше расстояние до галактики, тем больше величина красного смещения, следовательно, скорости отдаления галактики от нас.
Итак, галактики разбегаются во все стороны от нас, причем скорость разбегания прямо пропорциональна расстоянию, но это на значит, что мы находимся в центре Вселенной. Таким образом, Хаббл своими наблюдениями далеких галактик доказал, что Вселенная расширяется, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Расширение Вселенной началось с ее возникновения.
ПРОБЛЕМЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
В 1927 году бельгийский ученый Джордж Леметр предположил возникновение и расширение Вселенной из сверхплотного состояния, представив этот процесс в виде Большого взрыва, а предположение, что первоначальное вещество было сверхплотным и очень горячим, высказал впервые Г.А. Гамов. Согласно представлениям современной космологии Вселенная возникла 15-20 млрд. лет назад, когда все вещество находилось в состоянии сингулярности (точечности) и сверхплотном состоянии. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. По мере расширения происходило понижение температуры и плотности вещества.
|
|
|
ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
1. Адронная эра с момента 10‾‾10 при температуре = 1015 по Кельвину вещество Вселенной состояло из частиц и античастиц, которые, объединяясь в группы, образуют адроны (протоны, нейтроны и др.) на 1 млн. античастиц приходится 1,1 млн. частиц.
Главное событие – аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов и нейтронов, которые послужили материалом, из которого построена вся Вселенная. Продолжительность этой эры – 0,0001 с.
2. Начало синтеза элементов приблизительно через 100 с после начала расширения Вселенной. При температуре 1 млрд. градусов начался ядерный синтез с образованием ядер водорода и гелия.
3. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва при температуре 4000 градусов по Кельвину – этап рекомбинации ядер и электронов с образованием атомов водорода и гелия. Продолжался 700 тыс. лет. В процессе дальнейшего расширения понижалась температура вещества, и излучения в результате излучения отделилось от вещества – Вселенная стала прозрачной.
4. Через 1 млн. лет наступила звездная эра – процесс образования протозвезд и протогалактик, из которых постепенно формировались звезды, галактики и т.д.
Эту модель называют стандартная или горячая Вселенная. Она объясняет происхождение многих свойств Вселенной. Но причины Большого взрыва и расширения в ней лишь постулируется (объяснения не дано).
В конце 20 века была создано гипотеза инфляционной («раздувающейся») Вселенной, которая. Не отменяя основных постулатов, отвечает на ряд вопросов, которые до недавнего времени считались недополненными. В ней описывалась эволюция вселенной на самых ранних стадиях, ее развитие началось с момента 10‾43 до 10‾35 с, когда она находилась в состоянии ложного вакуума. В основе этой гипотезы представления о существовании силы космических отталкиваний невероятной величины, которая смогла разорвать некоторые материи Вселенной и вызвать ее расширение. Причем Вселенная «раздувалась» со скоростью значительно превосходящей скорость света. Такое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве, а это и есть Большой взрыв.
|
|
|
Считается, что этот период «инфляции» предшествовал Большому взрыву.
БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ
Современная космология не может ответить на вопрос будет ли расширение продолжаться или сменится сжатием. Для этого нужно знать величину средней плотности вещества во Вселенной и его отношение с критической плотностью. Если средняя плотность вещества меньше критической, то расширение будет продолжаться неограниченно. Если плотность больше критической, то расширение Вселенной в отдаленном будущем сменится сжатием.
Согласно современным данным критическая плотность оценивается в 10‾26кг/м (в кубе), а значение средней плотности вещества во Вселенной составляет 3*10‾27 кг/м (в кубе). Следовательно, Вселенная будет расширяться, но современное состояние наблюдений не дает возможность точного определения средней плотности вещества во Вселенной, т.к. неясна скрытая масса вещества, в состав которой могли бы входить нитрино, черные дыры, несветящиеся звезды и другие типы космических объектов, тогда средняя плотность вещества может оказаться выше критической величины и в отдаленном будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием.
СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
Систем самого высокого порядка – Метагалактика – это доступное наблюдение части Вселенной, она представляет собой систему взаимодействия скоплений галактик, она имеет сетчатую («ячеистую») структуру, т.е. галактики расположены неравномерно, а именно, они образуют ячейки типа пчелиных сот. Вдоль стенок этих ячеек расположены галактики, а внутри – пустота.
Больше всего галактик сосредоточено в узлах (местах пересечения стенок) – насчитываются до 10-ков тысяч отдельных галактик. Но в очень больших масштабах (скопления и сверхскопления галактик) распределение вещества оказывается равномерным, значит если обозревать Вселенную с любой из галактик, то она всюду будет выглядеть практически одинаково.
|
|
|
Скопление галактик – группы галактик, связанных в одну систему, благодаря взаимному гравитационному притяжению, облака скоплений галактик образуют сверхскопления галактик.
Галактики – это гигантские звездные системы, содержащие от нескольких миллионов до многих сотен миллионов звезд, газа, пыли. Они содержат различного рода поля и космические лучи.
По форме различают:
1. эллиптические. Имеют форму кругов или эллипсов с разной степенью сжатия. Количество звезд убывает равномерно от центра.
2. спирали: туманность Андромеды, Млечный путь (наша галактика).
3. неправильные галактики не имеют определенной формы, центральных ядер (Магеллановы облака).
В центрах многих галактик имеется яркое плотное ядро, состоящее в основном из звезд, но в некоторых ядрах наблюдаются активные процессы, связанные с колоссальным выделением энергии. Такие ядра называют радиогалактиками.
В 1963 году обнаружены галактики – источники радиоизлучения, которые назвали квазары, при сравнительно небольших размерах они выделяют колоссальное количество энергии. Это самые удаленные объекты наблюдения во Вселенной. Предполагают, что квазары являются ядрами далеких галактик, находящихся в стадии чрезвычайно сильной активности.
Скопления звезд – это группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое.
Бывают 2-ух типов:
Шаровые – это массивные объекты правильной сферической формы, содержат десятки, сотни тысяч, и иногда, и миллионы звезд. Это самые старые звезды в галактике – 12-14 млн. лет.
Рассеянные – не имеют правильной формы. Содержат десятки, сотни наиболее крупных тысяч звезд.
|
|
|
