20. Космологические модели эволюции Вселенной

Космология - раздел современной астрономии, изучающий происхожде­ние, свойства и эволюцию Вселенной как единого целого. Физическая кос­мология занимается наблюдениями, которые дают информацию о Вселенной в целом, а теоретическая космология - разработкой моделей, которые долж­ны описывать наблюдаемые свойства Вселенной в математических терминах. Космология в самом широком смысле охватывает физику, астрономию, фи­лософию и теологию. Действительно, она стремится представить картину мира, объясняющую, почему Вселенная имеет именно те свойства, которые она имеет. Уже греческая космология стремилась построить математическую модель движения планет. Современная космология целиком базируется на законах физики и математических конструкциях.

Только в XX веке было выработано понимание Вселенной как единого целого. Первый важный шаг был сделан в 1920-х годах, когда ученые при­шли к выводу, что наша Галактика - одна из многих галактик, а Солнце - од­на из миллионов звезд Млечного Пути. Последующее изучение галактик по­казало, что они удаляются от Млечного Пути, причем чем дальше они нахо­дятся, тем больше скорость их удаления. Ученые осознали, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Разбегание галактик происходит в соответствии с законом Хаббла, согласно которому красное смещение галактики пропор­ционально расстоянию до нее. Постоянная пропорциональности, называемая постоянной Хаббла, имеет значение в пределах 60-80 км/с на один Мегапар-сек (1 пк - 3,26 световых года) с погрешностью 20%. Согласно закону Хабб­ла, скорости разбегания удаленных галактик прямо пропорциональны их рас­стояниям от нас - наблюдателей. Темнота ночного неба обусловлена расши­рением Вселенной. Объяснение этого факта является очень важным космоло­гическим наблюдением. Появление в 1950-х годах радиоастрономии позво­лило установить, что большинство радиоисточников (например, квазары и радиогалактики) являются удаленными объектами. Поскольку вычисленные по красному смещению расстояния составляют значительную долю размеров Вселенной, радиоволнам и свету требуется сравнимый с возрастом Вселен­ной промежуток времени, чтобы достичь Земли. В силу этого, наблюдая сла­бые радиоисточники, исследователь видит ранние стадии эволюции Вселен­ной.

Все космологические теории (модели) включают постулат, согласно ко­торому во Вселенной нет выделенных точек и направлений, т. е. все точки и направления равноправны для любого наблюдателя. Обычно, также предпо­лагается, что законы физики и фундаментальные постоянные, в частности постоянная гравитации G, не меняются со временем. Пока нет фактов, указы­вающих на обратное. Общая теория относительности Эйнштейна - отправная точка для большинства космологических моделей. Космологические модели отличаются выбором двух значений - космологической постоянной Эйштейна и плотности, зависящей от количества вещества во Вселенной и от постоянной Хаббла.

В модели стационарной Вселенной, созданной английскими астронома­ми Ф. Хойлом и Г. Бонди и американским астрономом Т. Голдом, утвержда­ется, что Вселенная одинакова повсюду и в любое время для всех наблюда­телей. Для того чтобы привести эту модель в соответствие с наблюдаемым расширением Вселенной, Ф. Хойл постулировал непрерывное порождение нового вещества С-полем («творящим полем»), которое заполняет пустоты, остающиеся после разбегания уже существующих галактик. Однако модель Хойла-Бонди-Голда не согласовывалась с другими эмпирическими данны­ми, например с реликтовым излучением. Тем не менее эта модель дала суще­ственный толчок развитию теории ядерного синтеза в звездах, поскольку, ес­ли бы не было Большого Взрыва, тяжелые элементы могли образовываться только во взрывающихся звездах. Это положение теории, не связанное с вы­бором космологической модели, полностью осталось в силе.

Вселенная Фридмана - модель, в которой плотность и радиус Вселенной могут изменяться со временем, т. е. Вселенная находится в состоянии непре­рывного расширения или сжатия. Вселенная Фридмана может быть замкну­той, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привел к поиску так называемой недостающей массы, т. е. «темной» материи, заполняющей неизлучающие области Метагалактики. Еще в 1922-1924 годах российский математик А. А. Фридман на основе тео­рии относительности Эйнштейна доказал, что из-за действия сил тяготения материя во Вселенной не может находиться в покое - она нестационарна. Наиболее важным аргументом в пользу этой теории является открытие в 1965 году американскими физиками А. Пензиасом и Р. Уилсоном микровол­нового фонового излучения, эквивалентного излучению абсолютно черного тела с температурой 2,7 К (по Кельвину).

Пульсирующая Вселенная ~ модель Вселенной, в которой она периоди­чески проходит циклы расширения и сжатия до так называемого Большого Хлопка (сдавливания). Каждый цикл сжатия сменяется следующим за ним очередным Большим Взрывом, открывающим новой цикл расширения, и так далее до бесконечности. Если такое происходит, то Вселенная является замк­нутой.

Перемешивающаяся Вселенная — хаотическая модель ранней Вселенной, в которой в результате гигантских конвульсий и колебаний свет «плавает» вокруг нее и способствует превращению неоднородной Вселенной в одно­родную. Установлено, что эта модель нежизнеспособна.

Открытая Вселенная - космологическая модель, в которой Вселенная представляется бесконечной в пространстве. Чтобы эта модель была спра­ведлива, расширение Вселенной должно продолжаться или замедляться, но не сменяться сжатием, как в моделях пульсирующей Вселенной. Для этого она должна содержать меньше вещества, чем необходимо для создания дос-42

таточно сильного гравитационного поля, способного прекратить ее расшире­ние. В настоящее время средняя плотность материи во Вселенной точно не определена, поэтому делать вывод в пользу той или иной модели рано.

Модель расширяющейся Вселенной - модель эволюции Вселенной, со­гласно которой она возникла в бесконечно плотном горячем состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 млрд. лет назад и известно как Большой Взрыв. Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излу­чения. Это реликтовое излучение первичного расширяющегося раскаленного шара было предсказано американским физиком русского происхождения Дж. Гамовым в 1948 году. Фоновое излучение было изучено на всех длинах волн от радио- до гамма-диапазона. В последние десятилетия большое вни­мание уделялось изотропии реликтового излучения, дающей информацию о самых ранних стадиях эволюции.

Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, на­чиная с 10"⁴³ с (квант времени) после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого пе­риода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 К: наступила эпоха рекомбинации, т. е. вещество отделилось от излучения, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность веще­ства достигла значения выше, чем значение плотности излучения, хотя рань­ше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселен­ной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлаж­денного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формиро­ваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин «Большой Взрыв» может применяться к любой моде­ли расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

Особый класс моделей Большого Взрыва составляют инфляционные мо­дели, или модели раздувающейся Вселенной. В этих моделях на ранней ста­дии эволюции Вселенной присутствует конечный период ускоренного рас­ширения. При таких условиях высвободилось бы огромное количество энер­гии, содержащейся до этого в исходном физическом вакууме пространства-времени. В течение некоторого времени горизонт Вселенной расширялся бы со скоростью, намного превышающей скорость света. Эта теория способна удовлетворительно объяснить существующее расширение Вселенной и ее однородность, однако большинство физиков и космологов высказывают со­мнения в возможности осуществления движения со скоростью, превышаю­щей скорость света.

Исходя из представлений о единой природе четырех фундаментальных физических взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных), определяющей их взаимоотношения на всех стадиях эволюции Вселенной, начиная с ! 970-х годов космологи и физики пытаются построить теорию великого объединения. Создание «Теории Всего», как ина­че называет этот грандиозный проект современной науки С. Хокинг¹, в зна­чительной степени расширило бы наше понимание Вселенной и ее эволюции.

В настоящее время космология бурно развивается благодаря открытиям физики элементарных частиц и астрономическим наблюдениям различных объектов во Вселенной.