815 (Эволюция Вселенной)

План:

1. Космологические модели Вселенной.

2. Строение Вселенной:
   2.1 Структура Вселенной.
   2.2 Тёмная сторона Вселенной.

3. Эволюция Вселенной:
   3.1 Стандартная модель эволюции Вселенной.
   3.2 Альтернативная модель Александра Софьина.

1. Космологические модели Вселенной.

Поскольку гравитационные взаимодействия являются доминирующими на мега-уровне организации материи, космологические модели Вселенной должны строится в соответствии с требованиями Теории Относительности на основе реально наблюдаемых астрофизических явлений:

1. Однородность и изотропности космического пространства.

2. Конечная интенсивность светового потока, приходящего из космоса.

3. Красное смещение в спектрах излучения далеких звезд.

4. Существование реликтового излучения (однородного и изотропного фона электромагнитных волн, соответствующего температуре около 3К).

Конечное количество света, приходящего от звездного неба, заставляет отвергнуть классические представления о бесконечном космическом пространстве, однородно заполненным звездами. Предпринимаемые в рамках классической концепции попытки построения космологических моделей с неоднородным распределением звезд в пространстве находятся в противоречии с астрономическими наблюдениями (неоднородность в концентрации звезд наблюдаются только на "относительно малых" космических масштабах вплоть до межгалактических скоплений).

Эйнштейном была предложена модель Вселенной, в которой локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводит к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. В этой цилиндрической модели Эйнштейна временная координата не искривляется (время равномерно течет от прошлого к будущему). Впоследствии цилиндрическая модель была усовершенствована голландским астрофизиком Виллем де Ситтером, предположившим на основании наблюдаемого красного смещения, что время в удаленных частях Вселенной течет замедленно (искривление по временной координате) - модель замкнутой гиперсферы.. Обе эти стационарные модели Вселенной имеют два недостатка: необходимость предположить существование дополнительных взаимодействий, препятствующих сжатию Вселенной под действием гравитирующих масс, проблема "утилизации" света, испущенного звездами в предшествующие моменты времени в замкнутое пространство.

На сегодняшний день наиболее популярна предложенная Фридманом модель расширяющейся Вселенной (красное смещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера, нет необходимость во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобально искривленной из-за наличия гравитирующих масс. Обсуждаются ее две модификации:

1. Замкнутая модель предсказывает постепенное замедление расширения вследствие торможения гравитационными силами с последующим переходом к сжатию.

2. Открытая модель замедляющееся расширение, происходящее бесконечно долго.

В настоящее время предпочтение отдается открытой модели, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд, показывают, что гравитационные силы не способны остановить происходящее с наблюдаемой скоростью разбегание. Оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели при наличии в космосе скрытых масс несветящегося вещества (например за счет ненулевой массы покоя нейтрино).

Уравнения Общей Теории Относительности оказались весьма "гибкими" и допускают наличие большого числа космологических моделей Вселенной и сценариев их временного развития.

2 Строение Вселенной.

2.1 Структура Вселенной.

Астрономические тела обладают тенденцией группироваться в системы. Звёзды могут образовывать пары, входить в состав звёздных скоплений или ассоциаций. Крупнейшими объединениями звёзд являются галактики. Но и они редко наблюдаются одиночными. Более 90% ярких галактик входят либо в небольшие группы, содержащие лишь несколько крупных членов (такова, например, Местная группа галактик), либо в скопления, в которых их насчитываются многие тысячи.
В окрестностях нашей Галактики, в пределах полутора мегапарсек от неё, расположены ещё около 40 галактик, которые образуют Местную группу. Лишь некоторые из них можно считать нормальными галактиками. Это наша Галактика, туманность Андромеды, туманность Треугольника (все они спиральные), а также несколько неправильных галактик. Светимость и размеры большинства остальных звёздных систем значительно меньше. По своей массе они столь же меньше нормальных галактик, как планеты - звёзд. Местная группа устойчива - гравитация прочно удерживает её членов.
Галактики и их группы распределены в пространстве не равномерно, а образуют скопления, обычно неправильной формы. Есть и скопления правильной, сферической формы, которые состоят из сотен и тысяч отдельных звёздных систем, сильно концентрирующихся к центру. Такие скопления называют регулярными. В них много эллиптических и линзовидных галактик и почти нет спиральных. В центре находится одна или несколько гигантских эллиптических галактик. Часто они обладают сильным радиоизлучением, поэтому регулярные скопления нередко связаны с яркими радиоисточниками. Одно из ближайших к нам регулярных скоплений расположено в созвездии Волосы Вероники. Оно находится на расстоянии 125 Мпк (примерно 400 млн световых лет) от нас. Размеры таких скоплений очень велики - десятки мегапарсек. Даже при тех огромных расстояниях, которые отделяют их от нас, они выглядят очень протяжёнными (скопление в Волосах Вероники, например, занимает на небе область диаметром 12°).
В иррегулярных (неправильных) скоплениях много спиральных систем. Но общее число галактик в таких скоплениях значительно меньше по сравнению с регулярными. Вообще, чем больше членов содержит скопление, тем более правильную форму оно имеет. Примером иррегулярного скопления является ближайшее к нам крупное скопление галактик в созвездии Девы. Местная группа, в которую входит наш Млечный Путь, расположена примерно в 15 Мпк от него.
Наивысшая плотность галактик наблюдается в центральных областях регулярных скоплений. Расстояния между звёздными системами здесь сравнимы с их собственными размерами, и галактики часто сталкиваются. Конечно, столкновение галактик не надо понимать в буквальном смысле, как некую катастрофу. Расстояния между звёздами огромны, и при столкновении двух галактик
звёзды одной из них свободно проходят между звёздами другой, а длится это сотни миллионов лет. Однако галактики активно влияют друг на друга силами гравитации, звёзды изменяют свои орбиты и как бы перемешиваются. В некоторых случаях это приводит к разрушению или слиянию галактик.
Именно в результате таких столкновений и слияний в центральных областях регулярных скоплений образуются гигантские эллиптические системы. Они "заглатывают" межгалактический газ и медленно проникающие в них мелкие галактики.
Пространство между галактиками заполнено газом, который разогрет до температуры более 10 млн. кельвинов и излучает преимущественно в рентгеновском диапазоне. Концентрация его мала - в среднем один атом водорода на кубический дециметр, но общий объём огромен, поэтому полная масса газа сопоставима с суммарной массой всех галактик скопления. Охлаждаясь, газ может струями падать к центру скопления. Значительная часть межгалактического газа скоплений была выброшена миллиарды лет назад из молодых тогда галактик, в которых шло бурное звездообразование.
Чтобы газ столь высокой температуры не покидал скопление, его должна удерживать большая сила тяготения. Но если она достаточно велика, значит, велика и масса, её создающая, т. е. масса скопления. Оценки массы отдельных галактик показывают, что их суммарное гравитационное поле не может удержать такой горячий газ. Поэтому необходимо предположить, что существует невидимая для нас так называемая скрытая масса (см. статью "Что такое скрытая масса"). С той же проблемой учёные столкнулись и при объяснении устойчивости самих скоплений. Скорости движения галактик внутри них так высоки, что без присутствия скрытой массы они просто разлетелись бы в разные стороны.
Скопления галактик, по-видимому, самые крупные устойчивые системы во Вселенной. Существуют и более протяжённые образования: цепочки из скоплений или гигантские плоские поля, усеянные галактиками и скоплениями (так называемые "стенки"). Но гравитация не удерживает эти системы, и они вместе со всей Вселенной медленно расширяются.
Области повышенной концентрации галактик и их систем чередуются в пространстве с обширными пустотами размерами в сотни миллионов световых лет, которые почти не содержат галактик. Такова крупномасштабная структура Вселенной. Её ячеистый характер отражает картину распределения вещества во Вселенной более 10 млрд лет назад, когда галактик ещё не существовало.¹

2.2 Тёмная сторона Вселенной.

Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились, когда ученые измерили скорость вращения спиральных галактик. По законам Кеплера, их центральная часть должна была вращаться быстрее периферийной. Это не подтвердилось. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми скоплениями материи.

В восьмидесятые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Так, в 1989 году на небе Северного полушария была открыта так называемая Великая стена - скопление галактик размерами 500 * 200 * 15 миллионов световых лет. Она напоминала полосу пены, взбитую на небосводе, и содержала тысячи галактик. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого Взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше материи, чем можем заметить мы. Иначе бы их не было и по сей день!

По последним расчётам доля невидимой материи составляет 96 процентов! Человек, живущий в стандартной двухкомнатной квартире, легко поймет астрономов, если представит себе, что все в его обители вдруг растворилось в воздухе, и лишь какой-то клочок, к примеру, любимый "обломовский" диван, он еще может разглядеть.

Современные космологи, подобно античным философам, разделяют мир на несколько разных стихий.

«Зевс лучезарный, и Аидоней,
и живящая Гера,
Также слезами текущая
в смертных потоках Нестида», где Зевсом он называет огонь, Герой - землю, Аидонеем - воздух и Нестидою - воду. Так видел мироздание греческий философ Эмпедокл (ок. 490 - 430 годов до новой эры). Эти стихии неизменны, не создаваемы и не разрушаемы, писал он в своем трактате "О природе" (цитируется по книге Диогена Лаэртского "О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов"). Они не могут превращаться одна в другую, а могут лишь механически смешиваться друг с другом.

То, влекомое Дружеством,
сходится все воедино,
То ненавистной Враждой
вновь гонится врозь друг от друга.

Немецкие ученые Вольфганг Пристер и Джеймс Овердуин даже соотнесли учение Эмпедокла с выводами современных космологов.

* Земля, "живящая Гера" - это барионная материя (около 4 процентов) в самых разных ее проявлениях: от случайных атомов водорода, снующих в космическом пространстве, до сверхплотных нейтронных звезд.

* Воздух, "Аидоней" - это световое излучение (0,005 процента) и "горячая темная материя" (0,3 процента), состоящая в основном или исключительно из нейтрино.

* Вода, или "текущая в смертных потоках Нестида" - это и есть пресловутая темная материя (около 30 процентов), давно занимающая умы ученых. Теперь ее называют "холодной темной материей". Очевидно, она состоит из не открытых пока элементарных частиц. Им уже подобраны звучные названия: "аксионы", "нейтралино", WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, "слабо взаимодействующие тяжелые частицы"). "Как океан объемлет шар земной", так видимый мир кругом объят темной материей.

* Большая же часть космоса "охвачена Огнем". Здесь царит "Зевс лучезарный". Это - мир "темной энергии" (почти 66 процентов), открытой недавно косвенным путем. Общая масса этого вида материи должна быть невероятно велика, но поскольку темная энергия разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электрон-вольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысяч электрон-вольт.

Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу "космологическую константу" - своего рода "антигравитацию". Она уравновешивала действие гравитационных сил, но ее существование удалось доказать лишь в 1998 году.Космологическая константа и получила теперь наименование "темной энергии". Это определение дал ей в 1998 году Майкл Тернер, астрофизик из Чикагского университета. Вселенная в основном наполнена ей. Планеты, звезды, галактики - это редкие корабли и случайные пловцы, затерянные посреди моря "темной энергии". Поправляя Эмпедокла, скажем: в мире царит Зевс сумеречный.

Открыли эту самую великую и неприметную стихию сразу двумя путями: наблюдая за отдаленными вспышками сверхновых звезд и исследуя космическое фоновое излучение.

Светимость сверхновых звезд определенного типа всегда одинакова. Лишь по мере удаления от них видимая яркость их ослабевает. Однако далекие сверхновые звезды светят слабее, чем требует теория. Эти наблюдения позволили сделать вывод, что Вселенная расширяется все быстрее, хотя у критиков остались возражения.²