Модель гарячого Всесвіту

Ще Ісак Ньютон запропонував модель Всесвіту, яка містила в собі три основні постулати: стаціонарність, незмінність Всесвіту в часі; однорідність і ізотропності, відсутність привілейованих напрямків; евклідовому просторі.

Стаціонарності Всесвіту суперечить парадокс Ольберса: якщо Всесвіт нескінченний і вічна (тобто стационарна), то в ній міститься нескінченна кількість зірок. Куди б ми не подивилися, наш погляд неодмінно упреться в зірку. Нехай окремі зірки будуть невиразні, але небо все одно має сяяти суцільним загравою. І, тим не менш, вночі небо темне. Модель розширюється Всесвіту, запропонована А. Фрідманом в 1922 р, дає можливість вирішити цей парадокс.

Простір в нашому Всесвіті не є евклідовим. Загальна теорія відносності Ейнштейна стверджує, що присутність тел великої маси викривляє простір. Справедливість загальної теорії відносності підтверджується багатьма наглядовими даними: відхиленням променя світла в гравітаційному полі масивних тіл (наприклад, Сонця), зміною частоти світла в гравітаційному полі, зміщенням перигелію орбіти Меркурія.

Факт розширення Всесвіту підтверджується наявністю червоних зсувів в спектрах далеких галактик і їх скупчень. Червоне зміщення тим більше, чим далі від нас знаходяться досліджувані об’єкти. Швидкість джерела пов’язана з відстанню до нього законом Хаббла (12.1), який ще іноді називають «законом розбігання». Природно, що Галактика не є центром цього розбігання – точно таку ж картину розбігання повинен бачити спостерігач з будь-якої іншої галактики (властивість ізотропності Всесвіту). Наочною моделлю такого розбігання може служити надувається повітряна кулька з намальованими безладно на його поверхню точками – «галактиками»: при надування всі ці точки будуть віддалятися один від одного в точній відповідності з законом Хаббла. З пропорційності швидкості розбігання V і постійної Хаббла H випливає, що десь у минулому був момент, в який будь-яка з спостережуваних зараз галактик була нескінченно близька до нашої і до будь-якої іншої, причому щільність речовини у Всесвіті в «початковий момент» повинна була бути нескінченною. Величина, зворотна постійної Хаббла, має розмірність часу (час розширення Хаббла), і по ній можна оцінити вік Всесвіту: T = 1 / H ≈ 14 млрд. Років.

Отже, приблизно 14 млрд. Років тому вся речовина Всесвіту було сконцентровано в одній точці з нульовим обсягом і нескінченно великою щільністю – в сингулярності.

Момент народження Всесвіту – це момент народження класичного простору-часу з сингулярності (іноді кажуть, з просторово-часової піни) в результаті Великого Вибуху, коли почалося розширення Всесвіту. Фізичну теорію початкового етапу розширення Всесвіту розробили американські вчені на чолі з Георгієм Гамовим в 1946 р У початковий момент розширення (а точніше, в момент 10-43 с) температура речовини і його щільність досягали величезних значень: ρ ≈ 1093 г / см3, T = 1,3 · 1032 К.

Протягом перших 10-36 с, коли температура Всесвіту була більше 1028 К, енергія в одиниці об’єму залишалася постійною, а Всесвіт розширювався зі швидкістю, значно перевищує швидкість світла. Цей факт не суперечить теорії відносності, так як з такою швидкістю розширювалося неречовина, а сам простір. Ця стадія еволюції називається інфляційної. Із закінченням інфляційної фази розвитку Всесвіту настає стадія народження речовини – народжується звичайна матерія. У цей час сильне ядерне взаємодія відділяється від електромагнітного й слабкого. Всесвіт всього за 10-33 с збільшується від розмірів атома до розмірів Сонячної системи. З’являються звичайні елементарні частинки (протони) і античастинки. Виникає баріонна асиметрія: античастинок народжується трохи менше, ніж звичайних частинок.

Аж до 10-4 с речовина і випромінювання знаходяться в термодинамічній рівновазі, а «гарячі» фотони повністю визначають характер випромінювання Всесвіту. Ця епоха називається радіаційної стадією еволюції.

Слідом за радіаційною стадією настає стадія рекомбінації – анігіляції частинок і античастинок (перетворення їх у фотони), яка закінчується при температурі 5 ∙ 1012 К. До моменту 1 з від Великого Вибуху майже всі протони і нейтрони аннигилировали, перетворившись на фотони; залишилися тільки ті, для яких не вистачило античастинок. Як показали спостереження, на один баріон припадає майже мільярд фотонів – продуктів анігіляції. Значить, початковий надлишок частинок в порівнянні з античастинками становить одну мільярдну від їх числа. Саме з цього «надлишкового» речовини і складається в основному речовина спостережуваного Всесвіту. Через кілька секунд після Великого Вибуху в гарячій і щільною Всесвіту почалася стадія первинного нуклеосинтезу, що тривала близько трьох хвилин. В результаті термоядерних реакцій утворилися водень і гелій в пропорції 3/1 плюс незначна домішка інших легких елементів, зокрема, літію Li, і ізотопів водню – дейтерію D і тритію T. Потім почалося спокійне розширення і остигання Всесвіту.

Приблизно через мільйон років після Великого Вибуху рівновага між речовиною і випромінюванням порушилося, з вільних протонів і електронів почали утворюватися атоми, а випромінювання стало проходити через речовину як через прозоре середовище. Саме це випромінювання назвали реліктовим, його температура була близько 3000 К. Гіпотезу про існування такого випромінювання висловив Георгій Гамов. При розширенні Всесвіт остигає, тому довжина хвилі реліктових фотонів повинна зростати і до теперішнього часу температура реліктового випромінювання повинна була впасти приблизно до 3 кельвінів. У 1964 р американські вчені Арно Пензиас і Роберт Вільсон абсолютно випадково виявили космічне випромінювання, інтенсивність якого була постійна в часі і не залежала від напрямку, причому його температура якраз дорівнювала приблизно 3 К. Відкриття реліктового випромінювання послужило підтвердженням теорії гарячого Всесвіту. Більш точні вимірювання температури реліктового випромінювання дають значення 2,725 К, причому в останні десятиліття була виявлена ​​слабка його анізотропія (незначне відхилення температури від середнього значення). Анізотропія порядку 10-3 від основної величини викликана ефектом Доплера внаслідок руху Землі відносно фону реліктового випромінювання. Крім цієї «удаваній» анізотропії в експериментах виявлена ​​і справжня (не пов’язана з рухом Землі) анізотропія реліктового випромінювання. Вона дуже мала (порядку 10-5 від основної величини), тому з високим ступенем точності реліктове випромінювання можна вважати однорідним і ізотропним. Але сам факт наявності хоча б дуже слабкою анізотропії принципово важливий для різних теорій, які намагаються пояснити і описати математично походження галактик. Після рекомбінації речовина початок еволюціонувати самостійно. Через відмінності в щільності речовини, що з’явилися під час інфляційної стадії, утворилися протогалактики. Там, де щільність була трохи більше середньої, утворилися вогнища тяжіння. Області зі зниженою щільністю робилися все розріджені, так як речовина йшло з них в більш щільні області. Саме так практично однорідна середовище розділилося на окремі галактики і їх скупчення, а через сотні мільйонів років з’явилися перші зірки.

Іншою причиною утворення галактик могли бути гіпотетичні космічні струни – надтонкі (порядку декількох радіусів атома водню) і надважкі (десятки тонн на сантиметр довжини) об’єкти, що протягуються через весь Всесвіт і збереглися з часів Великого Вибуху. Гравітаційна взаємодія космічних струн могло сприяти формуванню зоряних систем.

Залишається додати, що у вигляді галактик і їх скупчень зосереджено всього кілька відсотків маси, що знаходиться у всій спостерігається нами Всесвіту. Інакше важко пояснити, чому скупчення галактик ще не «розвалилися»: швидкості руху кожної галактики занадто великі і сумарна кінетична енергія системи виявляється набагато більше потенційної енергії їх взаємодії. Доводиться припускати, що в скупченнях міститься «прихована маса», про природу якої серед астрономів зараз ведуться жваві дискусії.

Посилання на основну публікацію