Теория Большого взрыва

Если принять гипотезу разбегания галактик, то возникает вопрос: когда этот процесс начался, ведь он должен иметь начало во времени? На этот вопрос дает ответ гипотеза Большого взрыва. Ее предложил в 1948 году Георгий Антонович Гамов (1904 – 1968), американский физик, который в 1933 году эмигрировал из Советского Союза. По этой гипотезе, приблизительно 15 млрд. лет тому назад вся материя Вселенной была сосредоточена в сгустке материи ничтожного размера, сопоставимого с размером атома. У него была чудовищная плотность порядка ρ ≈ 10⁹³ г/см³ и температура приблизительно Т = 10³² К. Такое состояние материи получило название сингулярности. Произошел Большой взрыв, «первотолчок», который явился рождением Вселенной.

Согласно гипотезе, Вселенная стала стремительно расширяться. Увеличение ее размеров повлекли за собой такое же стремительное уменьшение плотности и температуры. Значительные изменения во Вселенной происходили в течение секунд и даже ничтожных долей секунды.

В конце первой секунды температура опустилась до 10¹⁰ К. В пространстве хаотически перемещались различные элементарные частицы: тяжелые протоны и нейтроны, легкие электроны, фотоны и нейтрино.

По расчетам Гамова, в первые сотни тысяч лет существования Вселенной фотоны – частицы света – были связаны с протонами, нейтронами, электронами и не могли свободно перемещаться в пространстве, и поэтому Вселенная была непрозрачной. Через 380 000 лет после Большого взрыва ее температура понизилась до 3 000 К. При таких условиях протоны и нейтроны стали объединяться в ядра атомов, а фотоны перестали с ними взаимодействовать и стали свободно распространяться по Вселенной, и она стала прозрачной. Это освобождение фотонов было предсказано Гамовым и получило название реликтового, т.е. древнего излучения. Около двух десятков лет ученые безуспешно пытались его обнаружить.

В 1964 году американские астрофизики Арно Пензиас (род. 1933) и Роберт Вилсон (род. 1941) из города Холмдейла готовили к началу работы радиометр – устройство для связи со спутниками. Долгое время они не могли избавиться от радиопомех. Отчаявшись, они обратились к теоретикам из соседнего Принстона. И получили неожиданный ответ: радиопомехи – ни что иное как реликтовое излучение. Ученые из Принстонского университета были весьма разочарованы, ведь они как раз построили установку для поиска этого излучения и уже готовили ее к работе. И Нобелевскую премию по физике 1978 года получили именно Пензиас и Вилсон, которые открыли реликтовое излучение, не ставя перед собой такой задачи.

Микроволновое излучение равномерно заполняет всю Вселенную. Если бы человеческий глаз был способен воспринимать микроволны, мы бы видели повсюду ярко пылающее небо. Считается, что это свечение и есть реликтовое излучение.

Разбегание галактик и реликтовое излучение – наиболее сильные аргументы в пользу гипотезы Большого взрыва.

В первичном веществе протоны значительно преобладали над нейтронами. Поэтому после образования ядер атомов остались свободные протоны. Они образовали водород, благодаря которому появились звезды, в том числе, и наше Солнце, вода, жизнь, человечество. Таким образом, начальные моменты Вселенной определили ее последующую эволюцию.

Ньютон высказал фундаментальную космогоническую гипотезу. Он рассчитал, что вещество, равномерно рассеянное по бесконечному пространству, не смогло бы образовывать отдельные тела. Но в однородной Вселенной стали появляться случайные сгущения вещества. Они становились центрами притяжения, к которым под влиянием гравитации присовокуплялись окружающие более мелкие образования. Эта идея Ньютона явилась краеугольным камнем современных космогонических теорий.

Согласно гипотезе Большого взрыва, через 1 млрд. лет после рождения Вселенной стали появляться галактики и звезды. В веществе возникали флуктуации плотности – отклонения от среднего значения. Силы тяготения внутри подобных областей проявляют себя более значительно, чем за их пределами. Внутри этих образований плотность вещества возрастала. Эти уплотнения постепенно превратились в галактики, а впоследствии и в отдельные звезды.

Не следует уподоблять Большой взрыв бомбе, разорвавшейся в центре Вселенной. Это было резкое расширение самого пространства, которое скорее напоминало стремительное надувание воздушного шара. Расширение пространства коренным образом отличается от расширения в пространстве.

Представим себе воздушный шар, на котором краской нарисованы пятна. Они символизируют галактики. Если шар надувать, его поверхность будет увеличиваться, а вместе с ней будет возрастать расстояние между пятнами.

Мы наблюдаем далекие небесные тела с тем бóльшим опозданием, чем дальше они от нас расположены. Мы видим космические объекты на окраине Метагалактики такими, какими они были миллиарды лет назад.

Квазары – квазизвездные источники радиоизлучения ‒ самые удаленные от нас объекты, а значит, и самые старые из видимых нами. Их светимость колоссальна. Квазары обладают ничтожной протяженностью, по космическим меркам, не больше Солнечной системы в поперечнике. Однако в радиодиапазоне они излучают столько энергии, сколько несколько галактик. Среди близких галактик подобных объектов нет.

Важнейшие положения темы № 5 «Космологические модели Вселенной»

По современным представлениям, звезда возникает в процессе сгущения газопылевого облака под действием гравитационных сил. Когда внутри такого облака температура достигнет величины порядка 10 млн. К, начинаются реакции термоядерного синтеза. Это означает рождение новой звезды.

Процесс эволюции звезды представляет собой противоборство двух сил. Гравитационные силы взаимодействия между различными областями звезды стремятся ее сжать. Внутреннее давление препятствует этому сжатию. Приблизительное равновесие поддерживается несколько миллиардов лет. Когда запасы «ядерного топлива» истощаются, ядерные реакции прекращаются. Это приводит к снижению внутреннего давления. Тогда нарушается прежний баланс противодействующих сил. Гравитационные силы получают перевес над силами внутреннего давления. В течение нескольких десятков секунд ядро звезды сжимается. Дальнейшая судьба звезды зависит, прежде всего, от ее массы. Наиболее вероятны три варианта завершающей стадии эволюции звезд ‒ белые карлики, нейтронные звезды и «черные дыры».

Уильям Гершель поставил перед собой задачу определить, какую форму занимает звездная система Млечный Путь и какое место в ней занимает Солнечная система. Гершель пришел к выводу, что Млечный Путь представляет собой сплюснутую систему звезд. По современным представлениям, Наша Галактика, называемая Млечный Путь, представляет собой огромное скопление звезд, по форме напоминающее диск. Диаметр Нашей Галактики составляет около 100 000 световых лет.

Эдвин Хаббл обнаружил, что Туманность Андромеды является огромным скоплением звезд. По его оценкам, расстояние до Туманности Андромеды в несколько раз превышало размеры Нашей Галактики. Стало ясно, что она представляет собой такую же звездную систему, как и Галактика Млечный Путь. Исследования с помощью орбитального телескопа «Хаббл» показали, что во Вселенной существуют сотни миллиардов галактик. Совокупность галактик всех типов и межгалактической среды образует Метагалактику.

Весто Слайфер обнаружил, что спектральные линии в спектрах галактик смещены к красному концу спектра по сравнению с такими же линиями, которые излучают земные источники света. Такое «красное смещение» в спектрах галактик было истолковано как обоснование удаления галактик друг от друга, как обоснование расширения Вселенной. Эдвин Хаббл обнаружил закономерность: «красные смещения» в спектрах галактик прямо пропорциональны расстояниям до галактик. Эта закономерность получила название закона Хаббла.

Исходя из гипотезы «разбегания галактик», Георгий Антонович Гамов предложил гипотезу Большого взрыва. Приблизительно 15 млрд. лет тому назад вся материя Вселенной была сосредоточена в сверхплотном и сверхгорячем сгустке материи ничтожного размера. Произошел Большой взрыв, «первотолчок», который явился рождением Вселенной. Вселенная стала стремительно расширяться. Увеличение ее размеров повлекли за собой такое же стремительное уменьшение плотности и температуры. Постепенно образовались звезды и галактики. Гамов предсказал существование реликтового излучения фотонов. Его открыли Арно Пензиас и Роберт Вилсон. Разбегание галактик и реликтовое излучение – наиболее сильные аргументы в подтверждение гипотезы Большого взрыва.

Вопросы для самоконтроля

1. Опишите плазменное состояние вещества.

2. Почему гравитационное сжатие газопылевого облака приводит к его нагреванию?

3. Опишите процесс рождения звезды.

4. Какие силы противоборствуют в процессе эволюции звезды?

5. Почему звезда на завершающем этапе эволюции постепенно переходит в стадию красного гиганта?

6. Почему стабильная эволюция звезды завершается и происходит ее резкое сжатие?

7. Что такое гравитационный коллапс?

8. Какие звезды могут образоваться в результате гравитационного коллапса?

9. Из каких частиц состоит белый карлик?

10. Какие постепенные превращения испытывает белый карлик?

11. Какие изменения будут происходить на Солнце в течение ближайших нескольких миллиардов лет?

12. Почему нейтронная звезда более плотно упакована частицами, чем белый карлик?

13. Что такое «черная дыра»?

14. С помощью какого метода Уильям Гершель исследовал форму Нашей Галактики?

15. Каковы современные представления о форме Нашей Галактики?

16. Какой аргумент говорит о том, что Наша Галактика вращается не как твердое тело?

17. Каким образом Эдвин Хаббл пришел к выводу о том, что Туманность Андромеды представляет собой звездную систему?

18. Что такое галактика?

19. Что такое Метагалактика?

20. Что такое эффект «красного смещения» в спектрах галактик?

21. Что такое эффект Доплера?

22. Сформулируйте закон Хаббла и запишите его формулу.

23. Опишите гипотезу «старения фотона».

24. Сформулируйте гипотезу Большого взрыва.

25. Что такое реликтовое излучение?

26. Как было открыто реликтовое излучение?