Раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом, называется космологией. Космология, в частности, объясняет распределение галактик в пространстве и их «разбегание». Обсудим некоторые вопросы, которые изучает космология.

Конечность и бесконечность Вселенной. Во времена античности и в средние века Вселенная считалась статичной и конечной, ограниченной сферой неподвижных звезд (см. рис. 15). Изучением звездного неба и занималась тогда астрономия. Позднее, с развитием физики, внимание астрономов переключилось на движение небесных объектов, источники энергии во Вселенной и т. п.

Рис. 15. Модели конечной и бесконечной Вселенной

Большое значение для космологии имело открытие Ньютоном закона всемирного тяготения. «Всемирное» выполнение этого закона потребовало рассмотрения гипотезы о бесконечности Вселенной. В конечной Вселенной все ее вещество должно стянуться в единую плотную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых отдельных телах (звезды), равномерно заполняющих Вселенную.

В рамках классической механики и теории тяготения Ньютона принятие гипотезы бесконечности Вселенной приводило к некоторым парадоксам. Примером является фотометрический парадокс.

Почему ночью небо темное? В бесконечной статичной Вселенной имеется бесконечное число звезд. Поэтому, если мы направим наш взгляд в какое-то выбранное направление, то луч зрения непременно попадет на какую-то звезду. Все небо должно быть сплошь перекрыто дисками звезд разных угловых размеров. Если все звезды похожи на Солнце, то любой участок неба должен быть таким же ярким, как Солнце. Но это не так. Если же Вселенная конечна, то звезд в ней конечное число и небо, естественно, не столь яркое (звезды не покрывают его полностью). Но это противоречит закону всемирного тяготения и наблюдаемому равномерному распределению звезд.

Общая теория относительности. Механика Ньютона прекрасно согласуется с опытом для окружающих нас тел средней массы, которые движутся с небольшими скоростями. Космические тела могут иметь огромные массы и размеры (например, галактики), могут двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света (например, звезды и газ вблизи ядер галактик). Изучать взаимодействия таких тел и их движения с помощью классической механики невозможно. Обобщает теорию Ньютона для подобных объектов общая теория относительности Эйнштейна (см. рис. 16).

Рис. 16. Теория относительности

Согласно общей теории относительности, гравитационное взаимодействие передается с конечной скоростью (скоростью света), а в теории Ньютона оно передается мгновенно. В классической механике пространство считается эвклидовым, а время абсолютным. В общей теории относительности время не абсолютно, а пространство может быть искривленным. Гравитационное поле в общей теории относительности представляет собой искривление пространства-времени, создаваемое массивными телами.

Расширяющаяся Вселенная. Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и тем самым объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик.

Понять основные особенности наблюдаемой картины расширения Вселенной можно и в рамках теории тяготения Ньютона. Это связано с тем, что в небольших масштабах применима теория тяготения Ньютона и в расширении Вселенной можно убедиться по движению одной галактики, которая удаляется от нас со скоростью, меньшей скорости света.

Рассмотрим далекую галактику, находящуюся на расстоянии R от нас. На ее движение оказывает влияние притяжение только того вещества, которое находится внутри сферы с радиусом R, остальное вещество Вселенной не влияет своим притяжением на движение галактики. Масса вещества, находящегося внутри сферы радиусом R и плотностью ρ, равна М = ρ·(4/3)πR³(см. рис. 17).

Рис. 17. Выбранный участок Вселенной со средней плотностью ρ

Эта галактика как бы находится на поверхности шара c данной массой и данным радиусом и движется по закону Хаббла со скоростью . Если эта скорость окажется меньше второй космической скорости для рассматриваемого шара, то наблюдаемое удаление галактики сменится, в конце концов, приближением, т. е. расширение Вселенной сменится сжатием. Если же скорость будет больше или равна второй космической, то галактика будет неограниченно удаляться, т. е. наблюдаемое сейчас расширение Вселенной никогда не прекратится.

Из подобных рассуждений можно сделать следующий вывод. Существует критическое значение плотности вещества во Вселенной ρ_кр такое, что при ρ > ρ_кр в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при ρ ≤ ρ_кр Вселенная будет расширяться неограниченно.

Модели искажения пространства

Один из эффектов искажения мы рассмотрели – красное смещение. Для решения разных задач бывает удобно использовать разные модели: либо при расширении пространства законы геометрии выполняются как-то по-другому, либо можно считать, что законы выполняются правильно, только само пространство искажается. Есть несколько моделей законов геометрии для разных случаев искажения пространства (см. рис. 1), и вид искажения зависит от того, какова средняя плотность вещества Вселенной.

Рис. 1. Модели искажения

При ρ > ρ_крво Вселенной будут выполняться законы геометрии Римана и сумма углов треугольника будет больше 180˚ (как на сфере).

При ρ = ρ_кр будут выполняться законы геометрии Евклида, где сумма углов треугольника равна 180˚ (как на плоскости).

При ρ < ρ_крво Вселенной будут выполняться законы геометрии Лобачевского, сумма углов треугольника будет меньше 180˚ (как на седле).

Мы не знаем средней плотности вещества во Вселенной, но расчеты, сделанные для той ее части, которая доступна наблюдению, указывают на то, что средняя плотность Вселенной примерно в 8 раз меньше критической плотности и Вселенная должна расширяться вечно.

Возраст Вселенной. Если наблюдения пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то время, когда в прошлом это расширение началось, мы можем оценить из закона Хаббла. Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью и сейчас находится на расстоянии r от нас, то с начала удаления до нынешнего момента времени прошло

T = = = = = 13∙10⁹ лет.

Эти рассуждения применимы для любой галактики. Что же было эти 13 млрд лет назад – непонятно, просто расчеты ведут к этой точке. Можно предположить, что в отправной точке расширения все вещество Вселенной было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало. Не существовало ни атомов, ни молекул, а была сверхплотная смесь элементарных частиц.

Пока не ясны ни природа физических процессов, протекавших в этом сверхплотном веществе, ни причины, вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время T = 1 / H = 13 млрд лет, прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной.

Теперь понятно, как объяснить фотометрический парадокс – как следствие расширения Вселенной и связанного с ним наблюдаемого разбегания галактик. Действительно, из-за эффекта Доплера свет далеких галактик и звезд испытывает красное смещение, т. е. энергия световых квантов уменьшается, и от этих галактик приходит меньше света. Кроме этого, мы увидели, что радиус наблюдаемой Вселенной ограничен. Этими двумя положениями и объясняется то, что небо ночью темное.

Радиус Вселенной. Поскольку скорость света ограничена, мы можем видеть только те объекты, которые ближе к нам, чем расстояние, которое свет прошел за время существования Вселенной. Это расстояние называется космическим горизонтом (см. рис. 18). Вселенная может существовать и за этим горизонтом, но мы этого не видим.

Рис. 18. Границы наблюдаемой Вселенной

Поскольку Вселенная расширяется, космический горизонт сдвигается. Когда мы говорим о расстояниях до удаленных галактик, мы имеем в виду расстояние, которое прошел до нас свет от галактики при условии, что Вселенная не расширяется. Это расстояние тогда есть просто мера того, насколько старше стала галактика в момент наблюдения ее света по сравнению с моментом излучения света. Такое определение расстояния позволяет нам считать космический горизонт удаленным от нас на 14 млрд парсек. Эта величина и принимается за размер (радиус) видимой Вселенной.

Горячая Вселенная и реликтовое излучение. Общие представления о ранних стадиях расширения Вселенной можно получить из анализа ее химического состава. Естественно считать, что до образования звезд веществом Вселенной был водород, из которого в недрах звезд образовывался гелий. В дальнейшем часть вещества звезд возвращалась в межзвездную среду и служила материалом для формирования новых поколений звезд. Спектральные данные показали, что во Вселенной доля гелия в веществе Вселенной составляет 30 % (по массе). Предполагалось, что весь этот гелий образовался в ходе термоядерных реакций в ядрах звезд.

Однако расчет количества гелия во Вселенной по интенсивности образования его в звездах, количеству звезд во Вселенной и времени существования звезд дает значительно меньшую величину – 13 %.

Следовательно, не весь гелий образовался в звездах. Исходя из этого Георгий Гамов (русский и американский физик) пришел к выводу, что большая часть гелия образовалась еще на ранних стадиях расширения Вселенной, когда в ней еще не было звезд. Если учесть, что образование гелия в термоядерных реакциях возможно только при температурах свыше нескольких миллионов кельвинов, то на ранних стадиях, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была не только колоссально плотной, но и горячей.

Кроме вещества, в ранней Вселенной было еще и излучение, которое находилось в равновесии с веществом. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к настоящему времени должна была снизиться до 3 K (–270 ˚C). Это предсказание подтвердилось открытием микроволнового излучения, максимум интенсивности которого приходится на длину волны λ_max = 1 мм, что соответствует (по закону смещения Вина) температуре 2,7 K.

Это излучение не связано ни с одним космическим объектом, оно равномерно заполняет Вселенную и, следовательно, относится к началу расширения Вселенной, до образования небесных тел. Оно получило название реликтового излучения, т. е. оставшегося от ранних этапов эволюции Вселенной.

Ускоренное расширение Вселенной и темная энергия. Мы говорили уже, что основной вклад в массу галактик вносит темная материя, природа которой пока неясна, но учитывать которую необходимо для рационального объяснения расширения Вселенной. С тем, что Вселенная расширяется, мы уже свыклись, но делать окончательные выводы о бесконечном (!) ее расширении преждевременно.

Наблюдая вспышки сверхновых звезд в очень далеких галактиках, ученые обнаружили, что расстояния до этих галактик, вычисленные по красному смещению в их спектрах (эффект Доплера), оказались больше, чем дает формула Хаббла. Отсюда следовало, что на таких расстояниях расширение происходит с ускорением, то есть во Вселенной действует некоторая сила отталкивания, которая проявляется только на очень больших расстояниях. Эту силу считают проявлением необычной энергии, которую назвали темной энергией.

Свойства темной энергии совершенно необычные. Она проявляет себя только в гравитационном взаимодействии, но не как сила притяжения, а как сила отталкивания, в слабом ядерном и электромагнитном взаимодействиях она не участвует. Плотность темной энергии постоянна во времени. Так как при расширении Вселенной плотность обычной и темной материи уменьшается (объем увеличивается, а масса не меняется), начиная с некоторого момента, масса темной энергии (вспомните эквивалентность массы и энергии ) будет превышать массу остальных видов материи, и она будет оказывать основное влияние на гравитацию во Вселенной. Наблюдения показали, что ускоренное расширение демонстрируют галактики, которые находятся на расстоянии около 6 млрд св. лет от нас. Это означает, что темная энергия стала преобладать над обычной материей, когда возраст Вселенной был 7 млрд лет.