Тема. Утворення та еволюція Всесвіту

Космологія. Перші моделі будови Всесвіту та їхні парадокси. Для побудови моделі Всесвіту необхідно дати відповідь на таке запитання: «Чи має Всесвіт якусь межу у просторі?». Нескінченний і безмежний у просторі та часі Всесвіт привертає до себе увагу тим, що не має країв і містить нескінченну кількість зір та галактик. Але в такому вічному та безмежному Всесвіті виникають суперечності, які в астрономії називають космологічними парадоксами.

Існують три найбільш відомі космологічні парадокси: фотометричний, гравітаційний та «теплової смерті» Всесвіту.

Фотометричний парадокс був сформульований 1744 р. швейцарським астрономом Ж. Шезо та доповнений німецьким астрономом І. Ольберсом 1826 р. Коротко суть цього парадокса можна виразити в такому запитанні: «Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?». Здається, що на це запитання відповісти дуже просто, адже зміну дня і ночі вивчають у початковій школі. Але треба пам’ятати: над нічною поверхнею Землі світить безліч зір безмежного Всесвіту, які випромінюють нескінченну кількість енергії, тому освітлення від зір і галактик має бути не меншим за освітлення, яке створює Сонце. Проте з власного досвіду ми бачимо, що вночі небо набагато темніше, ніж удень. Математики запропонували таку модель Всесвіту, в якій можна спростувати фотометричний парадокс. Всесвіт може бути безмежним, але скінченним. В одновимірному просторі такий безмежний скінченний світ — це звичайне коло або будь-яка інша замкнута крива (рис. 1.1). Замкнутий двовимірний простір — поверхня сфери, яка не має межі, але площа поверхні сфери є скінченною величиною (рис. 1.2).

Космологія (космос і грец. λογος — вчення) — розділ астрономії, в якому вивчають Всесвіт як ціле

Космологічні парадокси — суперечності, які виникають у вічному та безмежному Всесвіті

Ми живемо у тривимірному просторі, і важко уявити собі такий замкнутий Всесвіт, який не має межі, але має скінченний об’єм і, отже, обмежену кількість зір і галактик. У такому Всесвіті немає центру, всі точки в ньому рівноправні й у всіх напрямках простір однорідний. На практиці важко перевірити, у якому просторі мешкають якісь істоти, і дізнатися, чи є простір скінченним. Якщо простір замкнутий, то мандрівник, подорожуючи в одному напрямку, може здійснити навколосвітню подорож і повернутися в точку старту. В історії земної цивілізації першу таку подорож здійснив Магеллан, який довів, що поверхня Землі є замкнутим двовимірним простором. У тривимірному Всесвіті космонавти ніколи не зможуть завершити таку навколосвітню подорож, тому перевірку можна зробити тільки за допомогою теоретичних міркувань.

Рис. 1.1. Модель одновимірного простору Всесвіту

Рис. 1.2. Модель двовимірного простору Всесвіту

Гравітаційний парадокс — космологічна проблема, яка виникає із класичної теорії тяжіння і яку можна сформулювати таким чином: «У нескінченному Всесвіті з евклідовою геометрією і ненульовою середньою густиною речовини гравітаційний потенціал усюди набуває нескінченних значень».

На даний момент цей парадокс не виникає, оскільки Ньютонівську теорію всесвітнього тяжіння, як з’ясувалося на початку XX ст., не можна застосовувати для опису сильних гравітаційних полів тяжіння (рис. 1.3) і, зокрема, розподілу нескінченної кількості речовини у безмежному просторі. У цих випадках треба використовувати теорію відносності Айнштайна.

Парадокс теплової смерті. Теплова смерть — термін, що описує кінцевий стан будь-якої замкнутої термодинамічної системи (рис. 1.4). При цьому ніякого направленого обміну енергією спостерігатися не буде, оскільки всі види енергії перейдуть в теплову. Термодинаміка розглядає систему, що перебуває в стані теплової смерті як систему, в якій термодинамічна ентропія максимальна.

Висновок про теплову смерть Всесвіту був сформульований Р. Клаузіусом 1865 р. на основі другого закону термодинаміки. За цим законом, будь-яка фізична система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне до найбільш вірогідного рівноважного стану — до так званого стану з максимумом ентропії. Такий стан відповідав би тепловій смерті Всесвіту.

Ще до створення сучасної космології були зроблені численні спроби спростувати висновок про теплову смерть Всесвіту. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872), відповідно до якої Всесвіт одвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому його місці інколи відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, чим більшу область захоплюють і чим значнішим є ступінь відхилення.

Рівняння Фрідмана. Російський математик і геофізик О. Фрідман працював у галузі фізики атмосфери і релятивістської космології. У 1923 р. він отримав розв’язки гравітаційних рівнянь А. Айнштайна, з яких випливало існування нестаціонарних моделей Всесвіту, що відрізнялися від стаціонарного Всесвіту Айнштайна. Особливості розширення Всесвіту за Фрідманом визначені критичною густиною.

де Н — стала Габбла, G — гравітаційна стала.

Якщо середня густина матерії у Всесвіті менша від критичної, то його розширення триватиме необмежено — Всесвіт відкритий. Якщо ж середня густина більша за критичну, то після досягнення певного максимального радіуса Всесвіт почне стискуватися — Всесвіт замкнутий. На сучасному етапі розбігання галактик підтверджує розширення Всесвіту. Однак це не остаточний висновок, адже існує проблема прихованої маси. Низка ефектів (зокрема дозоряний синтез гелію і реліктове випромінювання), що передбачені Фрідманом в моделі Всесвіту, доповнені і підтверджені фізичними гіпотезами інших вчених про високу температуру Всесвіту на ранніх етапах.

Рис. 1.3. Ньютонівська теорія тяжіння непридатна для розрахунку сильних полів тяжіння

Рис. 1.4. Теплова смерть — термін, що описує кінцевий стан будь-якої замкнутої термодинамічної системи

2. Теорія Великого Вибуху. Основні етапи еволюції Всесвіту. Реліктове випромінювання. Спостережні дані про прискорене розширення Всесвіту. Темна матерія та темна енергія як складові Всесвіту

Теорія Великого Вибуху. Основні етапи еволюції Всесвіту. Астрономічні дослідження, що проводились у XX ст., допомогли астрономам збагнути розлітання галактик, яке свідчить про те, що сам Всесвіт не залишається сталим у часі — він змінює свої параметри. Якщо відстань між галактиками зараз збільшується, то раніше вони розташовувались ближче одна до одної. За допомогою сталої Габбла можна підрахувати, коли всі галактики до початку розширення могли перебувати в одній точці. Моментом початку розширення Всесвіту є Великий Вибух, який пов’язаний із віком Т Всесвіту: Т = 1/Н.

На перший погляд здається, що для побудови теорії еволюції Всесвіту велике значення має визначення місця Великого Вибуху (рис. 2.1). Якби Великий Вибух був процесом, який нагадує вибух бомби, то можна було б визначити місце цієї події. Насправді розширення Всесвіту включає не тільки розлітання самих галактик відносно космічного простору, а й зміну параметрів самого Всесвіту. Іншими словами, галактики не летять відносно решти

Великий Вибух — термін, за допомогою якого об’єднано сучасні уявлення про початкові стадії розвитку Всесвіту, що пояснюють його еволюцію і властивості.

В основу сучасної астрономічної картини світу щодо еволюції Всесвіту покладено модель гарячого Всесвіту

Рис. 2.1. Комп’ютерна модель розвитку Всесвіту від Великого Вибуху до нашого часу

Рис. 2.2. Реліктове випромінювання — кванти світла, що утворилися 15 млрд років тому. Вони відділилися від елементарних частинок і почали самостійне поширення у Всесвіті

Всесвіту, тому що сам Всесвіт теж розширюється. Таким чином, конкретного місця, де стався Великий Вибух, у Всесвіті не існує, так само, як немає центра, від якого віддаляються галактики.

За сучасними даними, стала Габбла Н ≈ 70 км/(с • Мпк), тобто Великий Вибух міг відбутися приблизно 15 млрд років тому. Якщо врахувати, що вік нашої Галактики не може бути більший за вік найстаріших кулястих зоряних скупчень, що існують уже понад 13 млрд років, то цю цифру можна також вважати за нижню межу віку нашого Всесвіту.

Основні етапи еволюції Всесвіту. Всесвіт на початку існування мав настільки маленькі розміри, що тоді не було ані галактик, ані зір і навіть ще не існували елементарні частинки. Густина і температура новонародженого Всесвіту досягали таких фантастичних значень, що вчені навіть не можуть визначити, у якому стані при цьому перебувала матерія. Цей початковий момент народження Всесвіту називають сингулярністю (від лат. єдиний). Потім густина і температура Всесвіту почали знижуватись, стали утворюватися елементарні частинки, атоми і галактики. Усю історію нашого Всесвіту можна розділити на чотири ери — адронна, лептонна, випромінювання та речовини (див. таблицю).

Ера Всесвіту

Вік Всесвіту, років

Фази еволюції

Температура, К

Густина, кг/м 3

Наш Всесвіт молодший, ніж усі думали: вчені зробили приголомшливе відкриття

Вчені зробили приголомшливе відкриття. Виявляється, наш всесвіт може бути молодшим, ніж прийнято було вважати.

Про це йдеться у дослідженні, опублікованому на порталі Space. Це відкриття астрономів може кардинально змінити уявлення про вік та еволюцію Всесвіту.

Згідно з висновком дослідників, стандартна модель космології може бути неправильною. Швидкість розширення Всесвіту, яку називають константа Габбла, насправді вища, ніж передбачалося раніше. Згідно з попередніми оцінками, її швидкість була близько 70 км/сек на мегапарсек, але нові дослідження вказують на дані 28 км/сек на мегапарсек.

Чим швидше розширюється Всесвіт, тим вищий її вік. Згідно з попередніми розрахунками, нашому Всесвіту 13,8 млрд років. Вчені провели аналіз спостережень за більш ніж 800 групами галактик на відстані 600 млн світлових років від нас. Виявилося, що частина галактик-супутників, що обертаються навколо великої галактики у протилежних напрямках вище, ніж показують моделі великомасштабних структур Всесвіту.

Наприклад, спостерігаючи надновими типу Ia вчені з’ясували, що стала Габбла дорівнює 73.2 км/с на мегапарсек, а чи не 67.8 км/с на мегапарсек. Виходячи з цих даних, вік нашого Всесвіту 12,6 млрд років.

Раніше “Телеграф” розповідав про те, що у космосі виявили величезну “зоряну річку”. Вчені поділилися унікальними знімками нашого Всесвіту.