Сучасні космологічні моделі всесвіту - студопедія

У класичній науці існувала теорія стаціонарного стану Всесвіту, відповідно до якої Всесвіт завжди була майже такою, як зараз. Астрономія була статичною: вивчалося рух планет і комет, описувалися зірки, створювалася їх класифікація. Питання про еволюцію Всесвіту не ставилося.

Класична ньютонівська космологія грунтувалася на наступних постулатах:

- простір і час Всесвіту абсолютні, вони не залежать від матеріальних об'єктів процесів;

- простір і час метрично нескінченні;

- простір і час однорідні і ізотропні;

- Всесвіт стаціонарне, що не зазнає еволюції.

Змінюватися можуть конкретні космічні системи, але не світ в цілому.

Сучасні космологічні моделі Всесвіту грунтуються на загальній теорії відносності А. Ейнштейна, згідно з якою властивості простору і часу визначаються розподілом гравітаційних мас у Всесвіті.

Сучасна космологія будує моделі Всесвіту, базуючись на основному рівнянні тяжіння, виведеному А.Ейнштейном в загальній теорії відносності. Рівняння тяжіння Ейнштейна має не одне, а безліч рішень, чим і зумовлена ​​наявність багатьох космологічних моделей Всесвіту.

Перша модель була розроблена А. Ейнштейном в 1917 р Відповідно до цієї моделі Всесвіту світовий простір однорідний і изотропно, матерія в середньому розподілена в ній рівномірно, гравітаційне тяжіння мас компенсується універсальним космологічним відвернути. Модель Ейнштейна носить стаціонарний характер, властивості простору розглядаються незалежно від часу. Час існування Всесвіту нескінченно, тобто вона не має ні початку, ні кінця, а простір безмежно, але звичайно.

Всесвіт в моделі Ейнштейна стаціонарне, нескінченна в часі і безмежна в просторі, але має кінцеві розміри. Ця модель в той час узгоджувалася з усіма відомими фактами. Всесвіт Ейнштейна просторово конечна: вона має кінцеві розміри, але не має кордонів. У цій моделі просторовий обсяг Всесвіту кінцевий, але кордонів у нього немає. Простір Всесвіту не поширене нескінченно на всі боки, а замикається саме на себе. Як і на поверхні сфери в ньому можна здійснювати «кругосвітні» подорожі: пославши в будь-якому напрямку сигнал, через деякий час можна виявити, що він повернувся з протилежного боку.

Поєднання безмежності, і в той же час кінцівки, можна проілюструвати на прикладі кулі. Для двовимірного істоти, що може переміщатися тільки по поверхні кулі, у нього немає меж, в той же час розмір поверхні кулі кінцевий. Розміри кулі можуть збільшуватися, зменшуватися, пульсувати, залишаючись при цьому кінцевими.

В даний час вважається достовірним наглядовою фактом изотропность і однорідність Всесвіту. При цьому відволікаються від мелкомасштабной (в порівнянні з усією спостережуваному Всесвіті) неоднорідністю, яка проявляється в існуванні галактик і їх скупчень. Однорідність і ізотропності Всесвіту слід розуміти в великих масштабах. Хаббл виявив, що число галактик збільшується пропорційно відстані до них, тобто, незважаючи на локальні неоднорідності в самій галактиці, міжгалактичний простір з усіма зоряними скупченнями і галактиками утворює близьку до однорідного стану структуру Всесвіту.

Ні в одному напрямку не виявлено явних відхилень від однорідності в великих масштабах. Ця висока однорідність не виключає структурованості у вигляді скупчень галактик. Іншими словами, Всесвіт однорідний в великих масштабах і неоднорідна в малих. Вирішальним аргументом на користь однорідності і ізотропності Всесвіту є изотропия реліктового випромінювання гарячого Всесвіту, що спостерігається на Землі в даний час. Изотропия випромінювання свідчить про однаковість умов в різних напрямках від нас.

У 1917 р голландський астроном де Сіттер запропонував іншу модель, являюли рішенням рівняння тяжіння. Рішення перестало бути стаціонарним, виникло деякого роду космологічне відштовхування між масами, що прагне видалити їх один від одного і розчинити всю систему. Тенденція до розширення ставала помітною лише на великих відстанях.

Сучасна космологія являє собою велику, швидко розвивається область знання. Теоретичною основою її з'явилися космологічні моделі радянського математика А.Фридман, а спостережної основою

- відкриття американським астрономом Хабблом червоного зсуву в спектрах галактик.

У 1922 р математик і геофізик А.А.Фрідман відкинув постулат про стаціонарності Всесвіту і дав прийняте в даний час рішення космологічної проблеми. Фрідман довів, що Всесвіт, заповнена що тяжіє речовиною, не може бути стаціонарної, а повинна періодично розширюватися або стискатися.

Існують кілька рішень рівняння тяжіння Ейнштейна, для яких характерна еволюція Всесвіту. Загальним для цих рішень є уявлення про ізотропності і однорідності Всесвіту з часом. Це твердження називають космологічним постулатом.

Рішення рівнянь А.Фридман допускає три можливості. Якщо середня щільність речовини і випромінювання у Всесвіті дорівнює деякої критичної величини (10 -29 г / см 3), то світовий простір виявляється евклідовому і Всесвіт в цьому випадку необмежено розширюється з початкового точкового стану. (Геометрія Евкліда - це геометрія на площині. Кривизна простору в ній дорівнює нулю. Сума кутів в трикутнику дорівнює 180 градусам. Через точку можна провести тільки одну пряму, паралельну даній прямій). Така модель Всесвіту отримала назву моделі Ейнштейна - де Ситтера. Всесвіт в цій моделі є відкритою і нескінченною.

Якщо щільність менше критичної, простір має геометрією Лобачевського і Всесвіт так само необмежено розширюється. (Геометрія Лобачевського - геометрія на псевдосфері. Кривизна простору в ній негативна. Сума кутів в трикутнику менше 180 градусів. Через точку можна провести безліч прямих, паралельних даній). Цю модель Всесвіту іноді називають моделлю Фрідмана - Леметера. Всесвіт в цій моделі відкрита і нескінченна.

Якщо щільність більше критичної, то простір має геометрією Рімана. (Геометрія Рімана - це геометрія на сфері. Кривизна простору в ній позитивна. Сума кутів в трикутнику більше 180 градусів. Через точку можна провести жодної прямої, паралельної даній). Всесвіт в цій моделі була колись надщільного і займала малий обсяг. Потім вона стала розширюватися, розширення на певному етапі зміниться стисканням, яке триватиме аж до початкового точкового стану. Така Всесвіт називається пульсуючим, її обсяг обмежений. Всесвіт в цій моделі є закритою і кінцевої.

Леметером запропоновано рішення, в якому простір має геометрією Рімана. Всесвіт в цій моделі розширюється вічно, але є квазістатична фаза. Всесвіт в моделі Леметера є кінцевою і закритою.

Таким чином, в залежності від кривизни простору розрізняють:

- відкриті моделі Всесвіту, в яких кривизна простору негативна або дорівнює нулю;

- закриті моделі з позитивною кривизною.

До недавнього часу вважалося, що середня щільність речовини у Всесвіті менше критичної, так що більш вірогідною представлялася модель Фрідмана - Леметера з геометрією Лобачевського, тобто просторово нескінченна розширюється Всесвіт з негативною кривизною. Нещодавно отримані дані, що простір має геометрією Евкліда. Але і в цьому випадку модель Всесвіту виходить відкритою, в ній Всесвіт розширюється вічно.

Розширення Всесвіту вважається науково встановленим фактом. При вивченні далеких галактик був виявлений ефект червоного зсуву спектральних ліній, що є наслідком ефекту Допплера, викликаного тим, що галактики віддаляються від нас. У 1929р. американський астроном Е. Хаббл виявив, що всі галактики віддаляються від нас зі швидкістю, пропорційною відстані до них: U = Hr, де Н = 4х10 17 с -1 - постійна Хаббла, r - відстань до галактики.

Таким чином, в даний час спостерігається розширення Всесвіту. Подальша еволюція Всесвіту залежить від середньої щільності речовини у Всесвіті. Якщо середня щільність виявиться більше критичної, то через 30 млрд. Років розширення Всесвіту припиниться і зміниться стисканням. У загальній теорії відносності критична щільність визначається величиною 10 -29 г / см 3. а середня щільність речовини у Всесвіті за сучасними уявленнями оцінюється в 3х10 -31 г / cм 3. тобто в 30 з гаком разів менше. Цей висновок суперечить встановленим фактом геометрії Евкліда нашого Всесвіту. Але визначення щільності речовини у Всесвіті поки ненадійно. У Всесвіті можуть бути присутніми ще невиявлені види матерії (темна матерія, темна енергія).

На думку вчених, спостереженнями є лише 7% наявного у Всесвіті речовини. Близько 16% речовини - це види матерії, існування яких достовірно доведено, але вони поки не досліджені. Можливо, це маса нейтрино або невідомих науці частинок або галактик. Решта - це «темна» матерія і «темна» енергія, ще невідомі науці. За деякими даними «темна» енергія може становити до 70% всієї матерії.

Щільність, геометрична структура і майбутнє Всесвіту пов'язані між собою. Тому робити висновки про кінцівки або нескінченність Всесвіту поки передчасно.