Рождение и эволюция Вселенной

Во-первых, определим, что такое Вселенная. Буквально- это место вселения человека. Строго говоря, мы можем делать какие-либо выводы не обо всей Вселенной, а о той ее части, которая доступна для эмпирического наблюдения. Эта часть называется Вселенной Метагалактикой. Но термин «Вселенная» более привычен, поэтому в дальнейшем мы будем его употреблять, подразумевая Метагалактику.

На основании общей теории относительности А. Эйнштейн вывел космологическое уравнение, предполагая, что Вселенная однородна, изотропна и стационарна, т.е. объем и радиус ее постоянны. Разумеется, при этом возможны различные движения внутри самой системы.

Однако вскоре, в 1922 г. стационарный мир Эйнштейна был подвергнут серьезной критике. Российский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888 - 1925) проанализировал космологическое уравнение Эйнштейна и показал, что стационарный мир является только частным решением этого уравнения, что искривленное пространство не может быть стационарным, а в более общем случае возможны нестационарные решения, т.е. фридмановские миры должны были либо расширяться, либо сжиматься. Однако какой из вариантов решения А. Фридмана верен, расширяется ли Вселенная или сжимается?

На этот вопрос ответил в 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889 - 1953). Напомним, что согласно эффекту К.Допплера (1803-1853) спектры излучения удаляющихся объектов должны быть сдвинуты в красную сторону (красный сдвиг), а спектры приближающихся – в фиолетовую (фиолетовый сдвиг). Э. Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находится галактика, тем больше ее линейчатый атомный спектр водорода (а это основной составляющий компонент звезд) смещен в красную сторону (красное смещение) Иными словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. А это, в свою очередь, означало, что Вселенная не стационарна, что она непрерывно расширяется, и расстояния между галактиками все время растут.

Открытие красного смещения и на его основании расширения Вселенной было одним из величайших открытий ХХ века. Если использовать метод моделирования и попытаться представить себе расширяющуюся Вселенную, то это будет постоянно раздувающийся шар с нанесенными на него точками. При надувании такого шара расстояние между двумя любыми точками возрастает, но ни одну них нельзя назвать центром расширения. Несмотря на то, что открытие Э. Хаббла блестяще подтвердило предсказания А.А. Фридмана (он умер в 1925 г.), работы последнего долгое время оставались неизвестными научному миру.

Открытие Э. Хаббла, естественно, поставило следующий вопрос: будет ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент начнется сжатие? Не следует забывать, что расширение осуществляется, несмотря на закон Всемирного тяготения. Именно эти соображения привели русского ученого Георгия Антоновича Гамова (1904 –1968), эмигрировавшего в США (он учился вместе с А. А. Фридманом, работал под руководством академика А.Ф. Иоффе и покинул СССР в 1933 г) к идеям «горячей Вселенной», сингулярной точки и Большого взрыва.

Согласно этой гипотезе, примерно 10- 18 мрд лет назад существовала субстанция (ее назвали сингулярной точкой), имеющая бесконечную плотность при бесконечной кривизне пространства. В момент Большого взрыва каждая частица этой субстанции начала удаляться от другой, что сопровождалось очень высокими температурами в миллионы К. В таких условиях могла существовать только смесь кварков и элементарных частиц, т.е. сгусток плазмы. Далее, при снижении температуры могли образоваться ядра, а затем первые атомы, Это были атомы водорода (самого простого - один протон и один электрон - и самого распространенного химического элемента во Вселенной, являющегося основной составляющей звезд).

Г.А. Гамов предсказал, что если гипотеза Большого взрыва верна, то должно сохраниться остаточное тепловое излучение, температура которого соответствует примерно 6 К. Через десять лет, в 1965 г. это излучение, названное «реликтовым», идущее со всех направлений Вселенной с одинаковой интенсивностью, было обнаружено американскими астрономами А. Пензиасом и В. Вильсоном. Гипотеза Большого взрыва была подтверждена экспериментально. А. Эйнштейн приветствовал появление теории Большого взрыва и добавил, что в этот момент родилось не только вещество, но также пространство и время.

4. Космические объекты.

Эти объекты делятся на излучающие свет - звезды, светимость которых обусловлена термоядерной реакций перехода водорода в гелий, и не излучающие свет - планеты, метеориты, космическая пыль и кометы, которые светятся отраженным солнечным светом. К особым космическим объектам относятся «черные дыры», имеющие такую большую массу, что для преодоления ее гравитации необходимо развить скорость, большую скорости света, что, как известно, невозможно (результаты опыта Майкельсона). Поэтому черные дыры ничего не излучают и не отражают, а только поглощают любые сигналы. Астрономы обнаружили характерное рентгеновское излучение от окружающего предполагаемые черные дыры плазменного диска. Есть предположение о том, что 90 % массы всей Вселенной находится в черных дырах, а поскольку, согласно формуле Эйнштейна, масса пропорциональна энергии, черные дыры – это огромный энергетический запас Вселенной.

Скопления звезд называются галактиками. Наша галактика называется «Млечный путь» и по классификации Э. Хаббла относится к спиральным: она состоит из ядра с максимальной плотностью звездного вещества и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – примерно 100 тыс. световых лет (световой год – это расстояние, которое свет проходит за промежуток времени, равный одному земному году). Если можно применить к галактике понятие «вид сбоку», то в этом плане она представляет собой гигантский диск толщиной примерно 1500 световых лет. На расстоянии примерно двух третей от центра галактики находится Солнечная система.

Первый внегалактический объект был открыт Э. Хабблом в 20- тых годах ХХ века и назван «туманностью Андромеды». Позже были открыты тысячи других галактик, и Э. Хаббл предложил их классификацию. В 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью, в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньше их. Была выдвинута гипотеза, что квазары – это ядра новых галактик, а это значит, что процесс образования новых звезд продолжается и поныне.