Модель расширяющейся Вселенной

В 1922–1924 годах на основе представлений об однородной, изотропной, бесконечной Вселенной и уравнений ОТО советским математиком А. Фридманом были получены результаты, говорящие о том, что Вселенная должна быть нестационарной. С течением времени она должна либо неограниченно расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. Как конкретно должны двигаться галактики, будет ли происходить расширение или сжатие? Для ответа на этот вопрос необходимо знать, какова скорость галактик в некоторый момент времени, потом, зная ускорение, даваемое силами тяготения, следует рассчитать, как будут меняться скорости с течением времени. Если задать в некоторый момент времени покой галактик, то в последующие моменты времени галактики начнут сближаться, Вселенная будет сжиматься. Если в начальный момент времени задать скорости галактик так, чтобы они удалялись друг от друга, то мы получим расширяющуюся модель Вселенной, расширение которой тормозится тяготением.

Значения скоростей галактик теория дать не в состоянии. Их можно получить только из наблюдений. Для определения скоростей далеких галактик можно использовать эффект Доплера. Суть этого эффекта заключается в том, что при удалении или приближении источника электромагнитных (или звуковых) волн к приемнику увеличивается или уменьшается длина волны принимаемого излучения - происходит смещение спектральных линий в красную или фиолетовую области спектра. Величина смещения определяется из соотношения , где – длина волы спектральной линии, наблюдаемой в лаборатории, – скорость объекта, – скорость света. В 1920–1922 годах американский астрофизик В.М. Слайфер исследовал спектральные линии поглощения около 40 галактик. Им было установлено, что у большинства галактик имеется сравнительно небольшое смещение спектральных линий поглощения химических элементов в красную область. Итак, согласно Слайферу, галактики от нас удаляются. Американским астрономом Э. Хабблом были определены расстояния до ближайших к нам галактик. Измерение расстояний до галактик и результаты исследований Слайфера позволили в 1929 году Э. Хабблу открыть закон (закон Хаббла), согласно которому скорости удаления галактик возрастают по мере возрастания расстояний от нашей Галактики: чем дальше галактика, тем больше скорость ее удаления, т.е.:

,

где – постоянная Хаббла. Современные данные по определению постоянной Хаббла приводят к значению близкому к 75 (км/с)/Мпк. Соотношение между скоростью , с которой галактика удаляется от нас, и расстоянием до нее не зависит от направления, в котором мы наблюдаем галактики, т.е. эффект разбегания галактик носит изотропный характер, что указывает на изотропный характер расширения Вселенной. Из интерпретации закона Хаббла следует, что в некоторый момент времени в прошлом все расстояния обращались в нуль. Отдельные галактики, звезды и др. не могли существовать как изолированные объекты. Вся материя находилась в состоянии непрерывно распределенного однородного вещества. Это был момент начала расширения Вселенной. Позже, в ходе расширения, вещество распадается на отдельные части, что приводит к образованию отдельных небесных тел.

В настоящий момент времени Вселенная расширяется. Этот процесс из-за сил гравитации протекает с замедлением. С расширением плотность падает, замедление уменьшается. Для будущего Вселенной имеются две возможности. Первая: плотность вещества во Вселенной достаточно мала и замедление мало. В этом случае расширение будет протекать неограниченно долго. Вторая: плотность вещества во Вселенной достаточно велика, велико замедление расширения. В этом случае расширение прекращается и сменяется сжатием. Существует критическое значение плотности вещества , отделяющее один случай от другого. Критическая плотность примерно равна 10^-26 кг/м³ . 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 первая возможность расширение будет протекать неограниченно долго.

От величины средней плотности вещества зависят и геометрические свойства Вселенной. Согласно ОТО, степень искривления пространства зависит от массы тяготеющего вещества. Чем больше масса – тем сильнее кривизна. При больших массах кривизна может стать настолько велика, что может произойти «свертывание» 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».

Модель горячей Вселенной

Для определения того, как происходило расширение Вселенной с момента начала расширения, какие процессы при этом протекали, необходимо провести расчеты при разных предположениях о расширении, о состоянии и составе вещества во Вселенной и сравнить результаты расчетов с наблюдениями.

Согласно модели расширяющейся Вселенной на основе закона Хаббла можно примерно установить момент времени начала расширения Вселенной. Расчеты показывают, что это произошло около 13 миллиардов лет тому назад. К настоящему времени наибольшее распространение получила модель горячей Вселенной, которую предложил американский физик Дж. Гамов. Согласно модели Гамова современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого разлета материи, находившейся до того в сверхплотном состоянии. Плотность вещества спустя 10^-43 с. после начала расширения («Большого Взрыва») примерно в 10¹⁰⁸ раз превосходила ядерную плотность. Температура вещества превышала десятки тысяч миллиардов градусов. Разлет вещества происходил со скоростями порядка 250 км/с.

В космологии выделяют несколько периодов в эволюции Вселенной после «Большого Взрыва». Каждый период характеризуется определенными процессами. В первоначальный период, который длился всего нескольких секунд, вещество Вселенной находилось в состоянии фотонной плазмы: на один миллиард фотонов (квантов света) приходилась только одна частица. Фотоны рождаются и уничтожаются при взаимодействии с элементарными частицами. Фотон рождается при взаимодействии частицы и античастицы. Частицы при этом исчезают (аннигилируют), и появляются фотоны. Сами тяжелые частицы, Х-бозоны и их античастицы, рождаются из особого состояния материи – физического вакуума, в котором они имеются в скрытом, «виртуальном», состоянии. Тяжелые частицы и античастицы аннигилируют, и в результате появляются протоны, нейтроны, электроны, нейтрино и античастицы.

В первые пять минут после «Большого Взрыва» практически произошли все события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль здесь играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Температура в результате расширения уменьшается. При этом протонов становится больше, т.к. их масса меньше массы нейтронов и их образование энергетически выгоднее. Процесс создания избытка протонов прекращается из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны. При падении температуры до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра. Заметим, что в первые мгновения после «Большого Взрыва» фотонов было много (на один протон приходился миллиард фотонов). С течением времени это соотношение остается постоянным, но энергия фотонов становится меньше. Это происходит в результате эффекта Доплера, т.к. частота фотонов, а значит, и их энергия, уменьшаются. Итак, нейтроны захватываются протонами, и происходит образование дейтерия. Реакция продолжается и образуются ядра гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Одновременно образуется немного лития и изотопа гелия-3. К концу 5-ой минуты после Большого Взрыва расширяющееся вещество состоит из ядер водорода – 70% и ядер гелия – 30%.

Температура становится меньше миллиарда градусов, Вселенная перестает быть горячей, наступает следующий этап расширения Вселенной, который длится порядка триста тысяч лет. Вещество Вселенной в это время представляет собой плазму, которая является непрозрачной для фотонов. При температуре в 4 тысячи градусов начинается образование нейтральных атомов. Появляются нейтральный водород и гелий. Вещество становится прозрачным для фотонов. Нейтральное вещество начинает собираться в некоторые образования, «комки». С этого момента начинает происходить образование галактик.

Следствием концепции первоначально горячей Вселенной является вывод о том, что от ранней эпохи расширения должно сохраниться остаточное излучение в радиодиапазоне (реликтовое излучение). Реликтовое излучение было открыто в 1965 году американскими радиоинженерами А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Обнаружение реликтового излучения сделало достоверным тот факт, что Вселенная действительно эволюционирует.