Концепция расширяющейся Вселенной

Самый серьезный удар по представлению о стационарности Вселенной был нанесен результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными Хабблом. В 1929 г. после огромной работы по получению и изучению спектров галактик, а также по определению различными методами расстояний до этих галактик, Э. Хаббл надежно установил факт расширения Вселенной. Он показал, что в «разбегании» галактик существует замечательная закономерность. Чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется, то есть тем больше её красное смещение. Причем закон имеет предельно простую линейную форму: v=HR, где v - скорость галактики, R - расстояние до нее, а Н - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла.

Чтобы по достоинству оценить результат Хаббла, нужно помнить, что звезды не рассеяны во Вселенной равномерно: они, наоборот, сгруппированы в отдельные «острова» - галактики, каждая из которых включает в себя в среднем более 100 млрд. звезд, а также межзвездный газ и межзвездную пыль; галактики в большинстве своем имеют «правильную» форму спирали или эллипса, при этом диаметр галактики может достигать и даже превосходить 100000 световых лет. Млечный путь как раз представляет собой одну такую галактику, ту самую «Галактику», которая включает в себя в качестве незначительной периферийной звезды и наше Солнце. В действительно космическом масштабе мы имеем дело уже не со звездами, а с галактиками как отдельными объектами, расстояния до которых измеряются миллионами световых лет.

Итак, Хаббл в результате целой серии кропотливых измерений обнаружил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее, с коэффициентом пропорциональности, равным примерно 20 км/с на миллион световых лет. Например, галактика, находящаяся на расстоянии в 100 млн. световых лет, удаляется от нас со скоростью 2000 км/с. Обнаружены квазары, которые удаляются от нас со скоростью 285000 км/с и которые, следовательно, находятся на расстояниях порядка 10 млрд. световых лет.

Открытие Хаббла окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, ранее получившее сильный удар при открытии эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга для утверждения сил небесных, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам.

Удаляясь со скоростью 20 км/с, галактика проходит примерно 600 млн. км за год, или 60 световых лет за миллион лет; на то, чтобы преодолеть (при постоянной скорости) тот миллион световых лет, который нас разделяет, ей, по-видимому, понадобилось несколько меньше, чем 20 млрд. лет. Следовательно, около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, поскольку (согласно закону Хаббла) галактики, которые находятся на расстояниях в десять раз больше других, имеют в десять же раз большую скорость; следовательно, время удаления одинаково для всех галактик.

Можно подойти к вопросу о хаббловском расширении космоса, используя более привычные, интуитивные образы. Например, представим себе солдат, выстроенных на какой-нибудь площади с интервалом 1 м. Пусть затем подается команда раздвинуть за одну минуту ряды так, чтобы этот интервал увеличился до 2 м. Каким бы образом команда ни выполнялась, относительная скорость двух рядом стоявших солдат будет равна 1 м/мин, а относительная скорость двух солдат, стоявших друг от друга на расстоянии 100 м, будет 100 м/мин, если учесть, что расстояние между ними увеличится от 100 до 200 м.

Таким образом, скорость взаимного удаления пропорциональна расстоянию. Отметим, что после расширения рядов остается справедливым космологический принцип: «галактики-солдаты» по-прежнему распределены равномерно, и сохраняются те же пропорции между различными взаимными расстояниями. Единственный недостаток нашего сравнения заключается в том, что на практике один из солдат все время стоит неподвижно в центре площади, в то время как остальные разбегаются со скоростями тем большими, чем больше расстояния от них до центра. В космосе же нет верстовых столбов, относительно которых можно было бы провести абсолютные измерения скорости; такой возможности мы лишены теорией относительности: каждый может сравнивать свое движение только с движением рядом идущих, и при этом ему будет казаться, что они от него убегают.

Мы видим, таким образом, что закон Хаббла обеспечивает неизменность космологического принципа во все времена, и это утверждает нас во мнении, что как закон, так и сам принцип действительно справедливы.

Итак, после получения красных смещений галактики предстали перед нами удаляющимися от нашей Галактики, причем скорость удаления растет с увеличением расстояния. Означает ли это, что наша галактика является центром, из которого происходит это расширение? Вовсе нет. Наблюдатель в любой галактике увидел бы точно такую же картину: все галактики, несвязанные гравитационно с родной галактикой наблюдателя, имели бы красные смещения, пропорциональные расстоянию между галактиками. Действительно, увеличивается расстояние между всеми галактиками. Пространство «раздувается». Расширение Вселенной можно проиллюстрировать замечательным примером. Представьте себе двумерных существ, двумериков, живущих на поверхности воздушного шарика. Нарисуем на нем галактики и поселим в них этих двумериков. Пусть они могут наблюдать в свои телескопы соседние галактики. Начнем теперь надувать шарик. Каждый двумерик-наблюдатель в своей галактике будет видеть, что другие галактики удаляются от него. Сам же центр расширения на поверхности шарика, то есть в Метагалактике двумериков, отсутствует.

Как уже говорилось, чем дальше находятся участки Вселенной, тем быстрее они от нас удаляются; галактики представляются нам такими, какими они были в далеком прошлом, поскольку свету, идущему от них, требуется время, чтобы до нас дойти. Таким образом, большие телескопы совершают, кроме всего прочего, путешествие в прошлое. Наблюдая все более далекие объекты, мы видим, как они разлетаются со скоростями, которые все ближе и ближе к непреодолимому барьеру - скорости света. Существуют квазары - объекты, крайне яркие и видимые на громадных расстояниях, - которые удаляются со скоростями в 285000 км/с, что лишь немного меньше скорости света, равной 300000 км/с.

Если бы мы могли увидеть какие-нибудь объекты, «приставленные к стенке скорости света», то они бы выглядели так же, как у истоков Вселенной. Но не все объекты, содержащиеся во Вселенной, можно будет когда-нибудь увидеть; свет от объектов, расположенных дальше определенного расстояния, так и не успевает дойти до нас, и они навсегда остаются скрытыми от наших взоров, так же как слишком далекое здание на поверхности Земли скрыто за горизонтом.

Но, если все галактики удаляются от нашей, не означает ли это, что Земля - центр Вселенной? Ответ по-прежнему отрицательный. Расстояния между любыми галактиками увеличиваются со скоростями, пропорциональными самим расстояниям, и человек, оказавшийся случайно в пределах другой галактики, обнаружит справедливость того же закона Хаббла. При этом его горизонт окажется смещенным, и он сможет увидеть то, что скрыто от нас, в то время как другие объекты, видимые с Земли, будут скрыты от него.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, присутствие вещества в пространстве приводит к искривлению последнего. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства, напоминающего искривленную поверхность Земли.

Передвигаясь на Земле в одном направлении, мы, в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх - вниз, или, точнее, зенит - надир. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения местоположения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. А можно ли взглянуть внутрь надувного шарика? Для этого пришлось бы выйти в четвертое измерение, чего никто делать не умеет и хотя можно использовать и шесть измерений, все мы, в конце концов, сходимся на том, что речь здесь идет лишь о некой игре слов, а всю физическую сторону этого вопроса вполне можно осознать, будучи, так сказать, нарисованными на поверхности такого воздушного шарика. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется; на шарике нет выделенных точек; площадь, на которой были выстроены солдаты, теперь представляет всю Вселенную; площадь эта весьма странная: выходим через калитку на север, а, возвращаясь, обнаруживаем, что появляемся на площади с южной стороны и т. д.

Рентгеновские лучи равномерно со всех сторон облучают Землю. Наблюдения показали, что они возникают всякий раз, как пыль, газ и звёзды, разрушенные гравитационными силами, поглощаются чёрной дырой. Чёрные дыры превосходят по массе все известные в мироздании тела. Из окружающей её окрестности чёрная дыра высасывает гигантские количества материи: в каждую минуту проглатывается масса, равная нашему земному шару. Столкновение частиц при этом рождает рентгеновское излучение. Почти все рентгеновские лучи приходят из далёкого прошлого, когда шло энергичное образование звёзд. Можно полагать, что чёрные дыры появились вскоре после первоначального взрыва, породившего нашу Вселенную, но до того как возникли первые звёзды. Вероятно, что сверхмассивные чёрные дыры стали в последующем центрами галактик. Уже определено более 30 галактик, заключающих в себе эти образования[4].

Мир галактик не только велик, но и разнообразен. Они резко различаются размерами, внешним видом и числом входящих в них звёзд, светимостью. Основоположником внегалактической астрономии, которая занимается этими вопросами, по праву считается американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953). Он доказал, что многие туманности на самом деле не что иное, как галактики, состоящие из множества звёзд. Он изучил свыше тысячи галактик и определил расстояние до некоторых из них. Среди галактик выделил три основных типа: спиральные, эллиптические и неправильные.

Более половины галактик - спиральные. В центре их находится яркое ядро (большое тесное скопление звёзд). Из ядра выходят спиральные, закручивающиеся вокруг него ветви, состоящие из молодых звёзд и облаков нейтрального газа. Все ветви лежат в плоскости вращения галактики. Поэтому она имеет вид сплющенного диска. Эллиптические галактики на фотографиях выглядят как эллипсы с разной степенью сжатия. Примерно четверть из наиболее ярких галактик относится к их числу.

Неправильные галактики отличаются хаотической клочковатой структурой и не имеют какой-либо определённой формы. Хотя неправильные галактики самый немногочисленный класс галактик, исследование их очень важно. Астрофизика постоянно обнаруживает в них что-нибудь интересное: вспышка сверхновой в Большом Магеллановом облаке, открытия в туманности Тарантул[5].

3. Концепция «Большого Взрыва»

Прокручивая ретроспективно киноленту о жизни Вселенной, мы могли бы увидеть, что было время, а именно около 25 млрд. лет тому назад, когда все галактики были собраны вместе в одной точке. Разумеется, к такой оценке нужно относиться с осторожностью и представлять, что она справедлива только по порядку величины. Во-первых, гравитационное притяжение непрерывно замедляет движение галактик; во-вторых, почти наверняка галактики сами образовались лишь примерно через миллиард лет после начала расширения. Но остается фактом, что Вселенная когда-то начинала свое развитие, будучи намного более плотной и, занимая область намного меньшую, чем в настоящее время; ее эволюцию можно сравнить разве что с гигантским взрывом глобального масштаба - с так называемым «Большим взрывом». Примечательно, что указанный масштаб времени, в общем, согласуется с результатами, полученными при исследовании эволюции звезд.

Наличие разбегания галактик в настоящее время требует предположения о том, что в прошлом вещество Вселенной было более плотным. Экстраполяция наблюдаемых скоростей на значительно более ранние периоды позволяет оценить время, когда это расширение началось в результате Большого Взрыва - около 25 млрд. лет назад. Известные на сегодняшний день законы физики позволяют воспроизвести достаточно правдоподобный сценарий расширения, начиная с нескольких тысячных секунды после Большого Взрыва (что происходило до этого, напр. предшествовало ли ему сжатие предыдущего цикла, на современном этапе развития естествознания не обсуждается, поскольку не может быть хотя бы косвенно проверено экспериментом).

Теория горячей Вселенной была первоначально разработана Г. А. Гамовым и др. для объяснения наблюдаемого химического состава Вселенной. Ведь первоначально все вещество представляло собой в основном водородную плазму, а затем, в эпоху так называемого нуклеосинтеза, образовались ядра более тяжелых химических элементов - различных изотопов гелия и лития. К ядрам водорода, которые представляют собой одиночные протоны, примешались также более сложные ядра дейтерия - тяжелого изотопа водорода. Так в нашем мире появилось разнообразие химических элементов. Однако пройдет еще немало времени, прежде чем образуются первые звезды, в которых в процессе эволюции родится все многообразие химических элементов, наблюдаемых сегодня[6].

Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Наш вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом, то есть к моменту времени, когда применение физических законов становится уже разумным. Спустя всего одну сотую секунды после начала космос занимал гораздо меньший объем, чем теперь, и был заполнен сжатым веществом при температуре в миллиарды градусов с плотностью в триллионы раз выше, чем плотность воды. В этих условиях не могли существовать ни ядра, ни тем более атомы, которые были бы разрушены бурным тепловым движением. Расширение Вселенной происходило с очень большой скоростью. Через несколько минут расширение Вселенной и ее охлаждение достигли такой степени, что стало возможным образование атомных ядер. Спустя еще миллион лет температура упала ниже трех тысяч градусов, и началось образование атомов. Бросив взгляд вокруг себя в ту эпоху, мы увидели бы пространство, заполненное облаком из раскаленных газов и ослепляющим светом. Еще через миллиард лет началось образование галактик, звезд и стабильного вещества в современном виде.

Свет, излученный первоначальным газовым облаком, все еще бродит во Вселенной; претерпев сильные изменения при расширении Хаббла, он сейчас заметен только в виде микроволнового фона (так называемого «реликтового излучения»). Это самое древнее из всех известных свидетельств истории нашей Вселенной. Оно было обнаружено двумя астрофизиками из лаборатории фирмы «Белл телефон» Пензиасом и Уилсоном, удостоенными за свое открытие Нобелевской премии в 1978 г.

Нуклеосинтез стал еще одним шагом к «нашему», привычному миру. Это произошло, когда Вселенной было «уже» 100 секунд. К тому времени наш мир продолжал расширяться и остывать. Вещество существовало в форме плазмы, когда электроны отделены от ядер атомов. Привычный для нас вид вещество во Вселенной приняло в так называемую эпоху рекомбинации. Эта эпоха ознаменовалась замечательным событием - температура упала ниже 10000 градусов и плазма превратилась в обычный, нейтральный газ. При этом вещество освободилось от «бремени» излучения, и стало развиваться уже по-своему. Дело в том, что когда вещество непрерывно взаимодействует с излучением, ионизируется им, то не образуются конденсации вещества и сложные структуры в нем. Будучи «свободным», вещество начинает структурироваться, «скучиваться». Эти сгущения служат основой той сложной структуры, которую мы сейчас наблюдаем.

Излучение, также освободившееся от вещества, получило возможность практически беспрепятственно двигаться по всей Вселенной. Благодаря этому мы сейчас можем поймать древние кванты электромагнитного излучения и в принципе пронаблюдать все события в развивающейся Вселенной после эпохи рекомбинации. Но как же тогда образовались более тяжелые элементы в природе, в том числе и те, из которых состоит наша Земля и человеческое тело? Более тяжелые элементы образовались в недрах звезд. Элементы легче железа образовались в результате термоядерного синтеза в звездах, а тяжелее железа - в результате вспышек сверхновых.

В первые моменты температура Вселенной была столь высока, что в ней могли существовать лишь самые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино и т.д. Быстрое расширение горячего сжатого «газа» вело к его охлаждению. Уже на первых секундах расширения стало возможным образование электронов и протонов, существующих в виде горячей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом и излучением, на долю которого приходилась основная доля энергии во Вселенной. Таким образом, на ранней стадии, длящейся около одного млн. лет, во Вселенной преобладали электромагнитные и ядерные взаимодействия.

Спустя указанный срок температура упала до величины, допускающей рекомбинацию электронов с протонами в нейтральные атомы водорода. С этого момента взаимодействие излучения с веществом практически прекратилось, доминирующая роль перешла к гравитации. Возникшее на стадии горячей Вселенной и постепенно остывающее в результате ее расширения излучение дошло до нас в виде реликтового фона.

На последующей стадии «холодной» Вселенной на фоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуаций плотности водородного газа стали возникать зоны его уплотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще больше усиливающие собственное гравитационное поле. Самоорганизация вещества во Вселенной (сложная неравновесная система, описываемая нелинейными уравнениями гравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномасштабной квазиупорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшая фрагментация дала начало будущим галактикам и звездам. Анализ деталей этого процесса возможен на основании весьма сложных уравнений гидрогазодинамики - теории нестационарного движения вещества и до сих пор удовлетворительно не разработан. Достаточно ясно, что в результате гравитационного сжатия выделяющаяся энергия в конечном итоге приводила к вторичному разогреву водородного топлива до температур, достаточных для начала термоядерных реакций водородного цикла.

Первая стадия жизни звезды подобна солнечной - в ней доминируют реакции водородного цикла. Температура звезды определяется ее массой и степенью гравитационного сжатия, которому противостоит главным образом световое давление. Звезда образует относительно устойчивую колебательную систему, ее периодические слабые сжатия и расширения определяют звездные циклы. По мере выгорания водорода в центре звезды, ее гелиевое ядро остывает, а зона протекания реакции синтеза перемещается на периферию. Звезда «разбухает», поглощая планеты ее системы, и остывает, превращаясь в красного гиганта.

Дальнейшее сжатие гелиевого ядра поднимает его температуру до зажигания реакций гелиевого цикла. Водородная оболочка постепенно рассеивается, образуя звездную туманность, а сильно сжатое ядро раскаляется до высоких температур, соответствующих свечению бело-голубым светом («белый карлик»). По мере выгорания топлива звезда угасает, превращаясь в устойчивого «черного карлика» - характерный итог эволюции большинства звезд с массой порядка солнечной.

Более массивные звезды на этапе превращения в белого карлика теряют водородную оболочку в результате мощного взрыва, сопровождающегося многократным увеличением светимости («сверхновые звезды»). После выгорания их ядер сил давления в плазме оказывается недостаточно для компенсации гравитационных сил. В результате уплотнения вещества электроны «вдавливаются» в протоны с образованием нейтральных частиц. Возникает нейтронная звезда - компактное (радиус несколько километров) и массивное образование, вращающееся с фантастически высокой для космических объектов скоростью: около одного оборота в секунду. Вращающееся вместе со звездой его магнитное поле посылает в пространство узконаправленный луч электромагнитного (часто- рентгеновского) излучения, действуя подобно маяку. Источники мощного периодического излучения, открытые в радиоастрономии, получили название пульсаров.

Звезды с массой, превосходящей массу Солнца более чем в два раза, обладают столь сильным гравитационным полем, что на стадии нейтронной звезды их сжатие не останавливается. В результате дальнейшего неограниченного сжатия - гравитационного коллапса звезда уменьшается до таких размеров, что скорость, необходимая для ухода тела с ее поверхности на бесконечность превышает предельную (скорость света). При этом ни одно тело (даже свет) не может покинуть непрерывно сжимающуюся звезду, представляющую собой «черную дыру», размерами всего несколько километров. Существование черных дыр допускают уравнения общей теории относительности. В области черной дыры пространство-время сильно деформировано.

Астрономические наблюдения чёрных дыр затруднены, поскольку такие объекты не излучают свет. Однако обнаружены звезды, совершающие движение, характерное для компонент двойных звезд, хотя парной звезды не наблюдается. Весьма вероятно, что её роль играет черная дыра или не излучающая нейтронная звезда.

Помимо перечисленных обнаружен ряд астрофизических объектов, свойства которых не укладываются в приведенные схемы - квазары. Наблюдаемое их излучение аналогично пульсарному, но очень сильно смещено в красную область. Величина красного смещения указывает на то, что квазары находятся так далеко, что их наблюдаемая яркость соответствует излучению, превосходящему по интенсивности излучения галактического скопления. В то же время наличие быстрых изменений интенсивности ставит вопрос о механизме согласования излучения элементами системы, размеры которой должны составлять тысячи световых лет.[7]

Заключение

Таким образом Большой взрыв — космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва.

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Список использованных источников и литературы:

1. Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с:

2. Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. — 540 с.

3. Кунафин М. С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е. – Уфа, 2003.

4. Наука и жизнь, 1998, №10, с. 48-51.

5. Наука и жизнь, 1999, №3, с. 61-64.

6. Попов С. Б., Бизяев Д. В. Расширение Вселенной. (ГАИШ МГУ). - 2000

7. Савченко В.Н. Начала современного естествознания: концепции и принципы: учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2006. — 608 с.

8. Чернин А. Д. Космология: Большой взрыв. — Век 2, 2006. — 64 с.

Приложение 1

Модель Большого Взрыва.

Приложение 2

Расширение Вселенной после Большого Взрыва.

[1] Кунафин М. С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е. – Уфа, 2003. С. 336

[2] Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. С. 286

[3] Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. С.287

[4] Наука и жизнь, 1998, №10, с. 48-51.

[5] Наука и жизнь, 1999, №3, с. 61-64.

[6] Попов С. Б., Бизяев Д. В. Расширение Вселенной. (ГАИШ МГУ). - 2000 http://www.astronet.ru:8100/db/msg/1171360

[7] Кунафин М. С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е. – Уфа, 2003.