Тема. Утворення та еволюція Всесвіту

Космологія. Перші моделі будови Всесвіту та їхні парадокси. Для побудови моделі Всесвіту необхідно дати відповідь на таке запитання: «Чи має Всесвіт якусь межу у просторі?». Нескінченний і безмежний у просторі та часі Всесвіт привертає до себе увагу тим, що не має країв і містить нескінченну кількість зір та галактик. Але в такому вічному та безмежному Всесвіті виникають суперечності, які в астрономії називають космологічними парадоксами.

Існують три найбільш відомі космологічні парадокси: фотометричний, гравітаційний та «теплової смерті» Всесвіту.

Фотометричний парадокс був сформульований 1744 р. швейцарським астрономом Ж. Шезо та доповнений німецьким астрономом І. Ольберсом 1826 р. Коротко суть цього парадокса можна виразити в такому запитанні: «Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?». Здається, що на це запитання відповісти дуже просто, адже зміну дня і ночі вивчають у початковій школі. Але треба пам’ятати: над нічною поверхнею Землі світить безліч зір безмежного Всесвіту, які випромінюють нескінченну кількість енергії, тому освітлення від зір і галактик має бути не меншим за освітлення, яке створює Сонце. Проте з власного досвіду ми бачимо, що вночі небо набагато темніше, ніж удень. Математики запропонували таку модель Всесвіту, в якій можна спростувати фотометричний парадокс. Всесвіт може бути безмежним, але скінченним. В одновимірному просторі такий безмежний скінченний світ — це звичайне коло або будь-яка інша замкнута крива (рис. 1.1). Замкнутий двовимірний простір — поверхня сфери, яка не має межі, але площа поверхні сфери є скінченною величиною (рис. 1.2).

Космологія (космос і грец. λογος — вчення) — розділ астрономії, в якому вивчають Всесвіт як ціле

Космологічні парадокси — суперечності, які виникають у вічному та безмежному Всесвіті

Ми живемо у тривимірному просторі, і важко уявити собі такий замкнутий Всесвіт, який не має межі, але має скінченний об’єм і, отже, обмежену кількість зір і галактик. У такому Всесвіті немає центру, всі точки в ньому рівноправні й у всіх напрямках простір однорідний. На практиці важко перевірити, у якому просторі мешкають якісь істоти, і дізнатися, чи є простір скінченним. Якщо простір замкнутий, то мандрівник, подорожуючи в одному напрямку, може здійснити навколосвітню подорож і повернутися в точку старту. В історії земної цивілізації першу таку подорож здійснив Магеллан, який довів, що поверхня Землі є замкнутим двовимірним простором. У тривимірному Всесвіті космонавти ніколи не зможуть завершити таку навколосвітню подорож, тому перевірку можна зробити тільки за допомогою теоретичних міркувань.

Рис. 1.1. Модель одновимірного простору Всесвіту

Рис. 1.2. Модель двовимірного простору Всесвіту

Гравітаційний парадокс — космологічна проблема, яка виникає із класичної теорії тяжіння і яку можна сформулювати таким чином: «У нескінченному Всесвіті з евклідовою геометрією і ненульовою середньою густиною речовини гравітаційний потенціал усюди набуває нескінченних значень».

На даний момент цей парадокс не виникає, оскільки Ньютонівську теорію всесвітнього тяжіння, як з’ясувалося на початку XX ст., не можна застосовувати для опису сильних гравітаційних полів тяжіння (рис. 1.3) і, зокрема, розподілу нескінченної кількості речовини у безмежному просторі. У цих випадках треба використовувати теорію відносності Айнштайна.

Парадокс теплової смерті. Теплова смерть — термін, що описує кінцевий стан будь-якої замкнутої термодинамічної системи (рис. 1.4). При цьому ніякого направленого обміну енергією спостерігатися не буде, оскільки всі види енергії перейдуть в теплову. Термодинаміка розглядає систему, що перебуває в стані теплової смерті як систему, в якій термодинамічна ентропія максимальна.

Висновок про теплову смерть Всесвіту був сформульований Р. Клаузіусом 1865 р. на основі другого закону термодинаміки. За цим законом, будь-яка фізична система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне до найбільш вірогідного рівноважного стану — до так званого стану з максимумом ентропії. Такий стан відповідав би тепловій смерті Всесвіту.

Ще до створення сучасної космології були зроблені численні спроби спростувати висновок про теплову смерть Всесвіту. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872), відповідно до якої Всесвіт одвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому його місці інколи відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, чим більшу область захоплюють і чим значнішим є ступінь відхилення.

Рівняння Фрідмана. Російський математик і геофізик О. Фрідман працював у галузі фізики атмосфери і релятивістської космології. У 1923 р. він отримав розв’язки гравітаційних рівнянь А. Айнштайна, з яких випливало існування нестаціонарних моделей Всесвіту, що відрізнялися від стаціонарного Всесвіту Айнштайна. Особливості розширення Всесвіту за Фрідманом визначені критичною густиною.

де Н — стала Габбла, G — гравітаційна стала.

Якщо середня густина матерії у Всесвіті менша від критичної, то його розширення триватиме необмежено — Всесвіт відкритий. Якщо ж середня густина більша за критичну, то після досягнення певного максимального радіуса Всесвіт почне стискуватися — Всесвіт замкнутий. На сучасному етапі розбігання галактик підтверджує розширення Всесвіту. Однак це не остаточний висновок, адже існує проблема прихованої маси. Низка ефектів (зокрема дозоряний синтез гелію і реліктове випромінювання), що передбачені Фрідманом в моделі Всесвіту, доповнені і підтверджені фізичними гіпотезами інших вчених про високу температуру Всесвіту на ранніх етапах.

Рис. 1.3. Ньютонівська теорія тяжіння непридатна для розрахунку сильних полів тяжіння

Рис. 1.4. Теплова смерть — термін, що описує кінцевий стан будь-якої замкнутої термодинамічної системи

2. Теорія Великого Вибуху. Основні етапи еволюції Всесвіту. Реліктове випромінювання. Спостережні дані про прискорене розширення Всесвіту. Темна матерія та темна енергія як складові Всесвіту

Теорія Великого Вибуху. Основні етапи еволюції Всесвіту. Астрономічні дослідження, що проводились у XX ст., допомогли астрономам збагнути розлітання галактик, яке свідчить про те, що сам Всесвіт не залишається сталим у часі — він змінює свої параметри. Якщо відстань між галактиками зараз збільшується, то раніше вони розташовувались ближче одна до одної. За допомогою сталої Габбла можна підрахувати, коли всі галактики до початку розширення могли перебувати в одній точці. Моментом початку розширення Всесвіту є Великий Вибух, який пов’язаний із віком Т Всесвіту: Т = 1/Н.

На перший погляд здається, що для побудови теорії еволюції Всесвіту велике значення має визначення місця Великого Вибуху (рис. 2.1). Якби Великий Вибух був процесом, який нагадує вибух бомби, то можна було б визначити місце цієї події. Насправді розширення Всесвіту включає не тільки розлітання самих галактик відносно космічного простору, а й зміну параметрів самого Всесвіту. Іншими словами, галактики не летять відносно решти

Великий Вибух — термін, за допомогою якого об’єднано сучасні уявлення про початкові стадії розвитку Всесвіту, що пояснюють його еволюцію і властивості.

В основу сучасної астрономічної картини світу щодо еволюції Всесвіту покладено модель гарячого Всесвіту

Рис. 2.1. Комп’ютерна модель розвитку Всесвіту від Великого Вибуху до нашого часу

Рис. 2.2. Реліктове випромінювання — кванти світла, що утворилися 15 млрд років тому. Вони відділилися від елементарних частинок і почали самостійне поширення у Всесвіті

Всесвіту, тому що сам Всесвіт теж розширюється. Таким чином, конкретного місця, де стався Великий Вибух, у Всесвіті не існує, так само, як немає центра, від якого віддаляються галактики.

За сучасними даними, стала Габбла Н ≈ 70 км/(с • Мпк), тобто Великий Вибух міг відбутися приблизно 15 млрд років тому. Якщо врахувати, що вік нашої Галактики не може бути більший за вік найстаріших кулястих зоряних скупчень, що існують уже понад 13 млрд років, то цю цифру можна також вважати за нижню межу віку нашого Всесвіту.

Основні етапи еволюції Всесвіту. Всесвіт на початку існування мав настільки маленькі розміри, що тоді не було ані галактик, ані зір і навіть ще не існували елементарні частинки. Густина і температура новонародженого Всесвіту досягали таких фантастичних значень, що вчені навіть не можуть визначити, у якому стані при цьому перебувала матерія. Цей початковий момент народження Всесвіту називають сингулярністю (від лат. єдиний). Потім густина і температура Всесвіту почали знижуватись, стали утворюватися елементарні частинки, атоми і галактики. Усю історію нашого Всесвіту можна розділити на чотири ери — адронна, лептонна, випромінювання та речовини (див. таблицю).

Ера Всесвіту

Вік Всесвіту, років

Фази еволюції

Температура, К

Густина, кг/м 3

Всесвіт почався з Великого вибуху?
А що було до цього? І взагалі, що вибухнуло та де?

Під терміном «Великий вибух» можна розуміти два поняття, які пов’язані між собою — це, власне, подія, що дала початок Всесвіту, а також теорія його ранньої еволюції. Близько 13,8 мільярдів років тому Всесвіт був безкінечно стиснутим, гарячим та щільним. Цей стан називається космологічною сингулярністю. Потім стався Великий вибух, після якого Всесвіт розширився, з’явилися простір та час.

Ми можемо відслідкувати розвиток Всесвіту з перших секунд його існування, проте майже нічого не знаємо про епоху, яка тривала від самого початку світу до 10 −43 секунди після початку. Вона дістала назву планківської епохи. Тоді Всесвіт був нестабільним через високу температуру та велику густину, а чотири фундаментальні взаємодії, що зараз визначають стан світу — гравітація, електромагнетизм, сильна та слабка ядерні взаємодії — були єдиною неподільною силою.

Сильна взаємодія найпотужніша з усіх, вона пов’язує між собою кварки, а також протони і нейтрони у складі атомів. Слабка взаємодія відповідає за термоядерні реакції всередині зірок, а електромагнетизм — за взаємодію між електрично зарядженими частинками. Гравітація змушує тіла притягуватися одне до одного.

Найстарша з епох, про які нам щось відомо, тривала у період з 10 −43 по 10 −35 секунди. Під час неї температура почала спадати, через що фундаментальні сили почали відокремлюватися одна від одної. Першою відділилася гравітація. Згодом електросильна взаємодія розпалася на сильну та електрослабку. На проміжку часу до 10 −32 секунди відбувається стрибкоподібне, різке та значне збільшення розмірів Всесвіту, а також зникає антиматерія. У період з 10 −12 по 10 −6 секунди усі чотири фундаментальні взаємодії вже існують окремо одна від одної. Світ заповнений кварками, лептонами і фотонами. Згодом кварки зливаються у елементарні частинки.

Усього через секунду після Великого вибуху Всесвіт виріс до розміру мільярдів кілометрів та охолонув достатньо, щоб елементарні частинки сформували перший атом — водень. Через три хвилини після народження світу починається епоха нуклеосинтезу. Нейтрони і протони продовжують формувати атоми, але до того часу, як з’являться перші зірки, пройде ще близько 500 мільйонів років.

Точкою Великого вибуху може бути, наприклад, точка на вершині Софіївського собору чи кінчик вашого носа — увесь простір, що існує зараз, колись був стиснутий у космологічну сингулярність. Тобто, Великий вибух не був вибухом у прямому розумінні цього слова, а був одночасним розширенням простору в усіх напрямках. У певній мірі Великий вибух і досі продовжується, адже Всесвіт усе ще розширюється та охолоджується.

Всесвіт не розширюється «кудись», він розширюється сам по собі. Уся матерія, увесь простір містяться у Всесвіті, немає нічого за його межами, та й самих цих меж немає — так само, як поверхня Землі скінченна, проте не має кордонів. Говорячи «розширення Всесвіту», ми маємо на увазі, що відстань між непов’язаними гравітаційно об’єктами у космосі збільшується. Таким чином, не самі галактики віддаляються одна від одної. Скоріше, вони зафіксовані на тканині просторово-часового континууму, яка розтягується. Можна провести аналогію з повітряною кулькою, на якій намалювали дві крапки — якщо її надути, відстань між крапками збільшиться, хоча вони й не рухалися.

У космологічній сингулярності не діють жодні з відомих законів фізики. Події до Великого вибуху не лишили жодних свідчень, які можна було б відслідкувати, і вони ніяк не впливають на стан Всесвіту після вибуху. Тим не менш, це не заважає вченим висувати різні гіпотези, які базуються на математичних обчисленнях. Наприклад, циклічна модель, згідно з якою після Великого вибуху станеться Велике стискання, а Всесвіт існує у період між цими двома подіями, або модель Мультиверсу, у рамках якої наш світ — лише один з багатьох паралельних світів. Втім, жодна з цих теорій не є загальноприйнятою.

Ми точно знаємо, що Всесвіт розширюється — це стало відомо завдяки астроному Едвіну Габблу, який у 20-х роках минулого століття обчислив швидкість розбігання галактик. Якщо подумки «відмотати» час назад, легко дійти висновку, що в минулому світ мав бути меншим та більш щільним. Окрім того, у нас є прямий доказ — реліктове випромінювання. Це світло від первинної плазми раннього Всесвіту, яке заповнює його майже рівномірним фоном та фіксується в усіх напрямках неба. Через те, що ці старі фотони подорожують вже багато часу, вони перейшли у мікрохвильовий спектр.

А як вдалося вирахувати, що Великий вибух стався 13,8 мільярдів років тому?

Є два способи виміряти вік Всесвіту — вивчаючи найстаріші зірки та досліджуючи розширення Всесвіту. Очевидно, що світ не може бути старшим за об’єкти, які у ньому знаходяться, тому визначення віку зірок допомагає краще визначити межі, коли він виник. Найстаріші зірки знаходяться в кулястих скупченнях, їхній вік оцінюється у межах від 11 до 14 мільярдів років. Між розширенням Всесвіту та його віком існує прямий зв’язок. У законі Габбла є поняття сталої Габбла — це міра швидкості розширення Всесвіту. Якщо вважати, що вона була постійною протягом усієї історії розвитку світу, цей параметр дозволяє визначити момент Великого вибуху. Згідно з обчисленнями, він стався 13,8 мільярдів років тому. Дослідження реліктового випромінювання, а також вимірювання густини та складу Всесвіту допомагають встановити ще більш жорсткі межі для його віку. Згідно з даними апарату WMAP, Великий вибух стався 13,772 мільярдів років тому. Місія Plank оцінює вік Всесвіту в 13.813 мільярдів років.

23.15: Розширення Всесвіту

Виявивши, що є галактики поза нашими власними, Едвін Хаббл продовжував вимірювати відстань до сотень інших галактик. Його дані в кінцевому підсумку показують нам, як змінюється Всесвіт, і навіть дають нам підказки щодо того, як утворився Всесвіт.

Червоний зсув

Якщо ви подивитеся на зірку через призму, ви побачите спектр. Спектр – це діапазон кольорів, помічених у веселці. Спектр має специфічні темні смуги, де елементи в зірці поглинули світло певних енергій. Астроном може використовувати ці лінії, щоб визначити, які елементи знаходяться в далекій зірці. Насправді елемент гелій вперше був виявлений на нашому Сонці, а не на Землі. Це було зроблено шляхом аналізу ліній поглинання в спектрі сонця. Астрономи вивчали спектри світла з далеких галактик. Коли вони це зробили, вони помітили щось дивне. Темні лінії в спектрі були в зразках, які вони очікували. Але вони були зрушені до червоного кінця спектра (рис. Нижче). Цей зсув смуг поглинання до червоного кінця спектра відомий як червоне зсув. Redshift – це зсув смуг поглинання до червоного кінця спектра. Червоне зсув відбувається, коли джерело світла віддаляється від вас або коли простір між вами і джерелом розтягується. Червоне зсув відбувається, коли джерело світла віддаляється від спостерігача. Тож коли астрономи бачать червоне зсув у світлі від галактики, вони знають, що галактика віддаляється від Землі. Дивна частина полягає в тому, що майже кожна галактика у Всесвіті має червоне зсув. Звичайно, це означає, що практично кожна галактика віддаляється від нас.

Розширюється Всесвіт

Едвін Хаббл поєднав свої вимірювання відстаней до галактик з вимірами інших астрономів червоного зсуву. Він помітив відносини, які зараз називають законом Хаббла: чим далі галактика, тим швидше вона віддаляється від нас. Іншими словами, Всесвіт розширюється! На фото нижче представлена спрощена схема розширення Всесвіту (рис. Нижче). Ще один спосіб зобразити це – уявити повітряну кулю, покриту крихітними крапками. Кожна точка являє собою галактику. Коли ви надуваєте повітряну кулю, точки повільно відходять один від одного, тому що гума розтягується в просторі між ними. Якби це була гігантська повітряна куля, і ви стояли на одній з точок, ви б побачили інші точки, що віддаляються від вас. Не тільки це, але крапки далі від вас на повітряній кулі будуть віддалятися швидше, ніж точки поблизу. Це спрощена схема розширення Всесвіту з плином часу. Зверніть увагу, що відстань між галактиками стає більшою, коли ви йдете вперед у часі, але розмір кожної галактики залишається приблизно однаковим. Надування повітряної кулі не зовсім схоже на розширюється Всесвіт. Але це правда, що сам простір розтягується між галактиками, як гума розтягується, коли повітряна куля надувається. Це розтягнення простору, яке спричиняє збільшення відстані між галактиками, – це те, що астрономи мають на увазі під розширенням Всесвіту. Ще одна відмінність між Всесвітом і нашою моделлю повітряної кулі полягає в фактичних розмірах галактик. На надувається повітряній кулі точки, які ви зробили, стануть більше за розміром, коли ви його надуєте. Однак у нашому Всесвіті галактики залишаються однаковими розмірами; саме простір між галактиками збільшується у міру розширення Всесвіту.

Резюме

• Майже кожна галактика віддаляється від нас.
• Спектр від зірок зміщений до червоного; це відоме як червоне зсув. Червоне зсув галактик є свідченням того, що Всесвіт розширюється.
• Закон Хаббла стверджує, що чим далі знаходиться галактика, тим швидше вона віддаляється від нас.

Рецензія

1. Як Хаббл визначив, що Всесвіт розширюється?
2. Як астрономи дізнаються, з чого складаються зірки?
3. Що таке закон Хаббла?