Теоретические модели Вселенной.

Любая модель Вселенной должна удовлетворять так называемому «космологическому принципу». Согласно ему в больших пространственных масштабах во Вселенной нет выделенных областей и направлений. Следствием такого постулата является однородность и изотропность материи во Вселенной на больших масштабах (> 100 Мпк). Основные теории, в совокупности описывающие три фундаментальных явления: расширение Вселенной, наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной и распространенность химических элементов следующие:

1. Теория Большого Взрыва -описывает химический состав Вселенной.

2. Модель расширения Фридмана - описывает расширение Вселенной.

3. Теория стадии инфляции - объясняет причину расширения.

Согласно последним научным данным наша Вселенная родилась около 14 млр. лет назад в результате чудовищного катаклизма Большого взрыва (БВ).

Гипотезы причин Большого Взрыва приведены в табл.7.1.

 

Таблица 7.1.

Гипотезы причин Большого Взрыва

	Флуктуация вакуума	Причина флуктуации — квантовые колебания. В результате вакуум вышел из состояния равновесия и перешёл в новое состояние с меньшим энергетическим уровнем. Это привело к выделению энергии.
	Столкновение бран в многомерном пространстве	гипотеза, оперирующая в терминах теории струн, предполагает некое внешнее по отношению к нашей Вселенной событие
	Антропный принцип	Тот факт, что наша Вселенная приспособлена для образования жизни может объясняться случайностью — в «менее приспособленных» вселенных просто некому это анализировать
	Концепцию «кипящей Мультивселенной	непрерывно рождаются новые вселенные и у этого процесса нет начала и конца

 

В момент БВ Вселенная занимала микроскопические, квантовые размеры. В соответствии с инфляционной моделью, в начальной стадии своей эволюции Вселенная пережила период ускоренного расширения (инфляции).

В основе большинства моделей расширяющейся Вселенной лежит ОТО (1907-1915) и её геометрический взгляд на природу гравитации. Уравнение гравитационного поля (уравнение Эйнштейна):

где λ — космологическая постоянная, — метрический тензор тензор Риччи, R — скалярная кривизна, — тензор энергии-импульса, с — скорость света, G — гравитационная постоянная Ньютона.

Александр Фридман нашел оригинальные решения уравнений общей теории относительности для всей Вселенной в целом. Обнаружил, что если наш мир заполнить тяготеющим веществом, он неуклонно будет либо расширяться, либо сжиматься.

Соответствующие решения были не только признаны Эйнштейном, но и получили практическое подтверждение в наблюдениях американского астронома Эдвина Хаббла в 1929 году.

Закон Хаббла: Чем дальше галактика, тем больше ее скорость V

В настоящее время (2009) наиболее надёжной считается оценка Н₀ =(74,2 ± 3,6) км/(с*Мпк) (св.год- 95 миллиардов триллионов километров).

Это означает, что галактики, удаленные от нас на 1 млн парсек (3,26 млн световых лет), «убегают» от нас со средней скоростью 74,2 км/с, а те, что в 100 раз дальше, разлетаются со скоростью в 100 раз быстрее.

Эволюция Вселенной

Всю историю нашей Вселенной в виде схемы иллюстрирует рис.7.1.

Рисунок7.1.

 

1. Вселенная началась с бесконечно высокой температуры T и плотности в сингулярности Большого взрыва. (космологи́ческая сингуля́рность — состояние Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества).

2. По мере расширения Вселенная температура (Т) и интенсивность излучения падали.

3. Через 0,01 сек после БВ - Т ~100 млрд град. Вселенная наполнена в основном фотонами, электронами, нейтрино, а также некоторым количеством протонов p⁺ и нейтронов n⁰.

4. Через 3 мин - Т ~ 1 млрд град. Протоны p⁺ и нейтроны n⁰ стали образовывать гелий, изотопы водорода и другие легкие элементы

5. Сотни тысяч лет спустя Т снизилась до нескольких тысяч град. Электроны замедлились до такой степени, что легкие ядра смогли захватывать их, образуя атомы.

6. Более тяжелые элементы, из которых мы состоим, образовались лишь миллиарды лет спустя в результате горения гелия в ядрах звезд.

Эту картину Вселенной впервые описал физик Георгий Гамов в 1948г. в статье, написанной совместно с Ральфом Альфредом. Было сделано предсказание, что излучение той очень горячей эпохи и сегодня все еще вокруг нас. Предсказание ученых подтвердились в 1965 г., когда физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон зарегистрировали космическое фоновое микроволновое излучение.

Реликтовое или космическое микроволновое фоновое излучение –космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К. Это излучение высвободилось в момент образовании атомов водорода. До этого излучение было заперто в веществе, в том, что тогда оно из себя представляло — плотной горячей плазме.

Этапы эволюции Вселенной отражены в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Эволюция Вселенной

		Сингулярность Большого взрыва	Планковская эпоха- неизвестные законы физики
	10-43с	Эпоха Теории великого объединения (ТВО)	Баланс вещества и антив-ва склоняется в пользу в-ва
	10-35с	Эпоха электрослабого взаимодействия	Населена кварками и антикварками
	10-10 с	Эпоха адронов и лептонов	Кварки связываются в протоны, нейтроны, мезоны и др.б.
	1 с	Электроны и позитроны аннигилируют друг с другом	Нейтрино отделяется от вещества
	3 мин	Вещество и излучение связаны	Протоны и нейтроны объединяются в ядра дейтерия, гелия и лития
	300 000 лет	Разделение вещества и энергии	Вселенная становится прозрачной для фонового космического излучения
	1 млрд лет	Скопления вещества формируют квазары, звезды и протогалактики	Звезды начинают синтезировать более тяжелые ядра
	›5 млрд лет	Образуются новые галактики и планетные системы вокруг звезд. Атомы связываются в сложные белковые молекулы

Теория «великого объединения»

Как предполагают, в момент БВ действовало единое взаимодействие, которое разделилось на четыре в первые мгновения существования нашего Мира:

1) сильное

2) электромагнитное

3) слабое

4) гравитационное

Согласно новейшим теориям, взаимодействие происходит благодаря переносу частицы-носителя взаимодействия между взаимодействующими частицами. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами происходит в результате переноса фотона между ними. Природа гравитационного взаимодействия пока точно неизвестна, предположительно оно происходит в результате переноса гипотетических частиц гравитонов.

 

Примерная хронология основных этапов эволюции Вселенной дана в табл.7.3.

Таблица 7.3.

Большой взрыв -13,7 млр.лет

 

Время после Большого взрыва, лет	Событие	Время от сегодняшнего момента, лет
400 тыс.	Космическое микроволновое реликтовое излучение	~13,7 млрд.
380 тыс.-150 млн.	Темные века Вселенная непрозрачна для света	13,55 млрд.
400 млн.	Первые звезды	12,7 млрд.
1 млрд.	Первые галактики
8,7 млрд.	Формирование Солнечной системы	~13,7 млрд.

 

 

Теоретическая судьба Вселенной зависит от процесса расширения Вселенной:

- будет ли он бесконечно долго ускоряться

- или скорость его расширения будет постоянной на протяжении значительного времени

- или же в какой-то момент Вселенная начнет сжиматься

Ход расширения в общем случае зависит

– от значений космологической постоянной Λ,

– кривизны пространства k

– уравнения состояния P(ρ)

Облик Вселенной

Вселенная имеет четко выраженную структуру.

Однако понятия классической механики, (масса, размер) для неё не имеют смысла: Вселенная ни с чем не взаимодействует. Вселенную описывают как термодинамическую систему, употребляя такие понятия как

– плотность,

– давление,

– температура,

– химический состав.

Именно они и определят облик Вселенной(табл.7.4.) как единого целого.

Таблица 7.4.

Облик Вселенной

 

Химический состав	Средняя температура	Плотность
H— 75 % He— 23 % O— 1 % C— 0,5 %	2,725К	10−29 г/см3 Из них: Темная энергия — 74 % Темная материя — 22 % Барионное вещество — 4 %

 

Облик формируется множеством процессов. Самый крупный из них —расширение Вселенной. Его природа— гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно от его хода зависит будущее Вселенной на самых больших масштабах.

По данным WMAP (космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва), наблюдаемая Вселенная является плоской. Исходя из этого, согласно модели Фридмана, средняя плотность Вселенной равна критической: ρ = ρ с. Однако барионная (обычная, доступная прямым наблюдениям) материя даёт в эту плотность довольно малый вклад: лишь (4,54±0,01) %, или 0,25 атома водорода на кубический метр. Два других компонента, дающих гораздо больший вклад в плотность, — тёмная материя (22,6 %) и тёмная энергия (73 %). Вклад релятивистских частиц, т.е. фотонов микроволнового фона, в настоящее время крайне мал: 0,0050 %.

Одно из важнейших свойств Вселенной — она расширяется, причём ускоренно. Чем дальше расположен объект от нашей галактики, тем быстрее он от нас удаляется.

Структура видимого вещества Вселенной:

a. Галактики

b. Группы (скопления)галактик

c. Сверхскопления галактик

d. Сверхскопления сосредоточены в основном внутри плоских слоёв Между слоями находится пространство, практически свободное от галактик. Размеры сверхскоплений достигают сотен миллионов световых лет. Сверхскопления настолько большие, что не являются гравитационно-связанными и, поэтому, принимают участие в расширении Хаббла.

В очень больших масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, напоминающую «ноздреватую» структуру хлеба. Однако на ещё бо́льших расстояниях (свыше 1 млрд световых лет) вещество во Вселенной распределено однородно.

 

Cтроение и эволюция звезд

Звёздная эволюция в астрономии— последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло.

Эволюцию физико-химических характеристик звезд астрономы изучают на основе зависимости их светимости от цвета (зависит от температуры) (рис.8.1). Cоставлена астрономами Герцшпрунгом и Расселом в начале XX века. Звёзды в координатах светимость (или излучение энергии) – температура поверхности подчиняются некоторым закономерностям.

Светимость — полная энергия, излучаемая астрономическим объектом в единицу времени. Измеряется в абсолютных единицах (СИ— Вт;) либо в единицах светимости Солнца. Светимость не зависит от расстояния до объекта, от него зависит только видимая звёздная величина.

 

На диаграмме звезды группируются в последовательности:

o -главную (проходит через середину диаграммы),

o -сверхгигантов,

o -ярких и слабых гигантов,

o -субгигантов,

o -субкарликов и белых карликов

Большинство попадает на чётко выраженную полосу – главную последовательность. В том числе и Солнце. В них происходит ядерное горение водорода. Это самая долгая стадия в жизни звёзд – занимает около 90% времени, соответственно около 90% звёзд находятся на главной последовательности.

Последовательность эволюции звезд:

(1) газовое облако;

(2) протозвезда, облако вращается, сжимается, нагревается, но ещё не настолько, чтобы начались ядерные реакции;

(3) горение водорода с образованием гелия;

(4) горение гелия и более тяжёлых элементов;

(5) кладбище звёзд массой меньше 8 Солнечных.

 

Рисунок 8.1.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

 

Звезда начинает свою жизнь как холодное разрежённое облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения и постепенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура объекта возрастает.

Когда температура в центре достигает 15—20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакции водородного цикла. В таком состоянии она пребывает бо́льшую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии ядра.

В этот период структура звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом, которые образуют ветвь на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. На этой ветви звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности.

Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий — в углерод, углерод — в кислород, кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо).

Относительно краткая эволюция красных гигантов приводит, в зависимости от их массы, к образованию (рис.8.2):

1 - белых карликов,

2 - нейтронных звёзд,

3 - чёрных дыр.

В двух последних случаях завершение эволюции звёзд сопровождается катастрофическими событиями — вспышками сверхновых.

Красные гиганты и сверхгиганты —звёзды с довольно низкой эффективной температурой (3000 — 5000 К), однако с огромной светимостью.

1.Белый карлик – очень плотные горячие тела малых размеров

Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают так свою эволюцию. Размер звезды ↓ в сотню раз, а плотность становится в миллион раз > плотности воды. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.

2.Нейтронная звезда. Если масса звезды > критического предела, то гравитационное сжатие продолжается. Сорванные колоссальным давлением электроны «впечатываются» в протоны, образуя нейтроны. Постепенно вся звезда в основном будет состоять из нейтронов. Имеют гигантскую плотность при радиусе всего в несколько км., близкую к плотности атомного ядра

Рисунок 8.2

Эволюция звезд

 

3. Если же масса звезды настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не сдержит гравитационного коллапса, то конечный этап ее эволюции – космический провал черной дыры.

Сверхно́вые звёзды — звёзды, заканчивающие свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Термином «сверхновые» были названы звёзды, которые вспыхивали гораздо (на порядки) сильнее так называемых «новых звёзд». На самом деле, ни те, ни другие физически новыми не являются, всегда вспыхивают уже существующие звёзды.