Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
22
ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Планета (от др. греч. πλανήτες αστέρες – блуждающая звезда) – небесное тело на орбите вокруг звезды или компактной звезды, оказавшееся достаточно массивным, чтобы приобрести округлую форму, но недостаточно массивным для начала термоядерного синтеза, и сумевшее очистить окрестности своей орбиты от планетезималей.
Начиная с 1992 года, с открытием сотен планет вокруг других звезд, названных экзопланетами, ученые начали понимать, что планеты можно обнаружить в Галактике везде, и что они разделяют множество особенностей планет Солнечной системы. На январь 2010 года известно уже 424 экзопланеты, в пределах от планет-гигантов до землеподобных планет.
Солнечная система
Согласно текущему определению термина «планета», которое дал Международный Астрономический союз (МАС), в Солнечной системе 8 планет и 5 карликовых планет.
Планеты Солнечной системы можно разделить на 4 группы:
1) Землеподобные. Планеты похожие на Землю, с телами в основе своей состоящими из горных пород: Меркурий, Венера, Земля и Марс. 2) Газовые гиганты. Планеты, в значительной степени состоящие из газа и значительно более массивные, чем планеты Земной группы: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Юпитер, с 318 земными массами, – крупнейшая планета в Солнечной системе, хотя Сатурн не намного меньший, весит 95 земных масс.
3) Ледяные гиганты. Уран и Нептун, подкласс газовых гигантов, отличаются от обычных газовых гигантов много меньшей массой (всего 14 – 17 Земных масс), и небольшим количеством в атмосфере водорода и гелия при значительно более высоких пропорциях горных пород и льда.
4) Карликовые планеты. В 2006 г. 5 объектов получили статус карликовых планет. Среди них Плутон и Церера.
Меркурий – самая близкая к Солнцу планета. Один год на Меркурии почти в 4 раза короче земного года и длится 88 суток. Меркурий очень похож на Луну – его можно назвать двойником Луны. Он немного больше Луны и весь густо изрыт кратерами. Долгое время ученые считали, что Меркурий обращен к Солнцу всегда одной стороной. Оказалось, что Меркурий все-таки медленно вращается вокруг своей оси. Один день на Меркурии длится дольше целого земного месяца! Жар на дневной, повернутой к Солнцу стороне Меркурия достигает 400 градусов. На ночной, неосвещенной стороне планеты, царит лютый холод: – 100 градусов. Даже морозом эту дикую стужу назвать трудно. У Меркурия нет спутников. Не обнаружено на нем и признаков какой-либо жизни. В отличие от Луны, у Меркурия есть атмосфера. Правда, она очень разряжена и ее плотность в 330 раз меньше плотности земной атмосферы. Меркурий не может удержать около себя плотную газовую оболочку, потому что сила притяжения на нем слишком мала.
Венера – вторая по счету планета от Солнца и самая близкая к Земле из всех планет Солнечной системы. Земля и Венера очень похожи друг на друга и их часто называют набесными близнецами. Ученые обнаружили, что по Венере медленно движутся расплывчатые светлые пятна. Это – облака. Значит, Венера окружена атмосферой. Температура на поверхности Венеры достигает 500 градусов жары! Давление венерианского «воздуха» так велико, что футбольный мяч мгновенно будет раздавлен в лепешку! Дышать таким «воздухом», конечно, невозможно. Он раскален, как в доменной печи, и состоит почти из одного углекислого газа. Поверхность Венеры покрыта кратерами и скалами. Царит сумрак даже днем, потому что плотный занавес из облаков и горячего едкого тумана не дает пробиться солнечным лучам. И в этом сумраке сверкают молнии, грохочет гром и проносятся свирепые ураганы! На ночной стороне Венеры так же жарко, как и на дневной. Теплое «одеяло» густой венерианской атмосферы не дает остыть даже той стороне, которая отвернулась от палящего Солнца. Спутников у Венеры нет.
Марс удален от Солнца примерно в полтора раза дальше, чем Земля. Атмосфера на Марсе очень разряжена и состоит из углекислого газа. Поверхность Марса похожа на безводную, песчаную пустыню, где часто бушуют сильные марсианские ветры. Ученые предполагают, что каналы на Марсе – это пересохшие русла рек. Ученые сомневаются, что на Марсе есть какая-либо жизнь.
Климат на Марсе более суровый, чем на Земле. И это понятно: Марс получает от Солнца тепла в 2 с лишним раза меньше, чем Земля. День и ночь на Марсе по продолжительности почти точь-в-точь такие же, как и на Земле. На Марсе есть времена года: весна, лето, осень, зима. Летом полярные льды тают и к осени становятся едва заметными. Зимой они появляются снова.
Юпитер
У Юпитера нет твердой поверхности. Чем глубже мы будем погружаться в атмосферу этой планеты, тем более она будет напоминать жидкую слякоть, становясь все тверже и плотнее, пока, наконец, мы не упремся в ледяную твердь. Жидко-ледяной Юпитер, состоящий из жидкого водорода и гелия, больше напоминает звезду, чем планету. На Юпитере адский холод. Другая особенность планеты-гиганта – огромная сила тяжести. Все предметы становятся в 2 с лишним раза тяжелее, чем на Земле.
Сатурн – вторая планета-гигант. Он несколько меньше Юпитера и очень похож на него. Как и Юпитер, Сатурн окружен плотной газовой атмосферой и имеет жидкую поверхность. На Сатурне еще холоднее, чем на Юпитере.
Самое удивительное и интересное у Сатурна – это его кольца. Они окружают Сатурн подобно нескольким плотным обручам, которые вращаются вокруг планеты. Исследования показывают, что кольца Сатурна состоят из мелких обледеневших камней, похожих на метеориты. Кольца Сатурна очень широки – на них, как на дорожку, можно уложить в ряд 4 планеты размером с Землю. Толщина колец всего чуть больше километра. Если представить Сатурн размером с тенисный мяч, то кольца будут тоньше папиросной бумаги.
У Сатурна имеется 15 спутников. Самый крупный среди них – Титан.
Уран и Нептун – планеты-гиганты, хотя они значительно меньше Юпитера и Сатурна. По величине Уран и Нептун очень похожи. Из одного Урана можно выкроить 60 таких шаров, как Земля.
Поверхность Урана и Нептуна покрыта густыми облаками. Их температура – 200 градусов ниже нуля. При таких условиях некоторые газы замерзают, превращаясь в лед. Сутки на Уране длятся всего 11 часов. Но это не значит, что день и ночь сменяются на Уране через 5 с половиной часов. У Урана есть одна удивительная особенность – он вращается вокруг своей оси не вертикально, как все планеты Солнечной системы, а как бы лежа на боку. Получается, что день в одном полушарии Урана длится около 42 земных лет, и так же долго длится ночь в другом, неосвещенном полушарии!
Карликовые планеты
Плутон. Плутон совершает оборот вокруг Солнца за 250 земных лет! Поперечник Плутона равен приблизительно 6000 километров. Тепла и света от Солнца Плутон получает очень мало – температура на нем – 200 градусов ниже нуля. На Плутоне обнаружена атмосфера, но она очень разряжена. Единственный спутник Плутона ‒ Харон. Он находится очень близко к поверхности Плутона и кажется привязанным к нему: он не всходит и не заходит, как другие спутники, а постоянно висит в одной и той же точке неба Плутона. По своим признакам Плутон очень похож на Меркурий.
Церера. Церера считалась самым крупным астероидом в Солнечной системе, однако с 24 августа 2006 года она получила статус карликовой планеты. Церера имеет размеры приблизительно 975×909 км.
КОМЕТЫ
Предположительно, долгопериодические кометы залетают к нам из облака Оорта, в котором находится огромное количество кометных ядер. Тела, находящиеся на окраинах Солнечной системы, как правило, представляют собой лед, состоящий из воды, метана и других веществ.
На данный момент обнаружено более 400 короткопериодических комет. Многие из них входят в так называемые семейства. Например, приблизительно 50 короткопериодических комет (их полный оборот вокруг Солнца длится 3 – 10 лет) образуют семейство Юпитера. Немного малочисленнее семейства Сатурна, Урана и Нептуна (к последнему, в частности, относится знаменитая комета Галлея).
Кометы, приходящие из глубины космоса, выглядят как туманные объекты, за которыми тянется хвост, иногда достигающий в длину миллионы километров. Ядро кометы представляет собой тело из твердых частиц и льда, окутанное туманной оболочкой, которая называется комой. Ядро диаметром в несколько километров может иметь вокруг себя кому в 80 тыс. км в поперечнике. Потоки солнечных лучей выбивают частицы пыли и газа из комы и отбрасывают их назад, вытягивая в длинный хвост, который волочится за ней в пространстве. Из-за светового давления и действия солнечного ветра хвост кометы чаще всего направлен в сторону, противоположную от Солнца.
Комета Галлея (1910)
Хвосты комет не имеют резких очертаний и практически прозрачны, сквозь них хорошо видны звезды, так как образованы из чрезвычайно разреженного вещества: его плотность гораздо меньше, чем плотность газа, выпущенного из зажигалки. Состав его разнообразен: газ или мельчайшие пылинки, или же смесь того и другого. По образному выражению, это «видимое ничто»: человек может наблюдать хвосты комет только потому, что газ и пыль светятся.
Действующая классификация определяет астероиды как объекты с диаметром более 50 м, отделяя их от метеорных тел, которые выглядят как крупные камни, или могут быть еще меньше. Классификация опирается на утверждение, что астероиды могут уцелеть при входе в атмосферу Земли и достигнуть ее поверхности, в то время, как метеоры, как правило, полностью сгорают в атмосфере.
Общий вид астероидов
На настоящий момент в Солнечной системе обнаружены десятки тысяч астероидов. Большинство известных на данный момент астероидов сосредоточено в пределах пояса астероидов, расположенного между орбитами Марса и Юпитера.
Два крупнейших астероида ‒ Паллада и Веста ‒ имеют диаметр ~ 500 км.
МЕТЕОРИТЫ
Метеорит – твердое тело космического происхождения, упавшее на поверхность Земли. Большинство найденных метеоритов имеют вес от нескольких граммов до нескольких килограммов. Крупнейший из найденных метеоритов – Гоба (вес 60 тонн). Полагают, что в сутки на Землю падает 5 – 6 т метеоритов, или 2 тыс. тонн в год.
Снимок метеорита на Украине
Процесс падения метеоритов на Землю
Метеорное тело входит в атмосферу Земли на скорости около 11 – 25 км/с. На такой скорости начинается его разогрев и свечение. Небольшое тело, вошедшее в атмосферу Земли на скорости 25 км/с и более, сгорает почти без остатка. При такой скорости вхождения в атмосферу из десятков и сотен тонн начальной массы до земли долетает всего несколько килограммов или даже граммов вещества. Следы сгорания метеорного тела в атмосфере можно найти на протяжении почти всей траектории его падения. Кроме того, может произойти разрушение метеорного тела на фрагменты, что приводит к выпадению метеоритного дождя.
ФОРМИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Неизвестно точно, как сформировались планеты. Господствующая теория предполагает, что они сформировались после превращения туманности в тонкий диск из газа и пыли. Протозвезда формируется в ядре, окруженном вращающимся вокруг него протопланетным диском. Частицы пыли в диске слипаются за счет действия гравитации, накапливают массу и постепенно формируют все более и более крупные тела. Этот процесс называется аккрецией. Постепенно они образуют тела, которые принято называть планетозималями. Планетозимали набирают в весе до тех пор, пока не разрушаются и не устремляются внутрь под действием своей же силы тяжести, образуя протопланеты. После того как планета начинает становиться крупнее, чем Луна, она начинает накапливать атмосферу. Она расширяется посредством планетозималей, сжигаемых лобовым атмосферным сопротивлением.
Когда протозвезда достигает необходимых условий для начала термоядерных реакций, протопланетный диск начинает удаляться от внутренней части системы из-за испарения под действием света, солнечного ветра и прочих эффектов. После этого может остаться еще много протопланет, вращающихся вокруг звезды или друг друга, но в течение времени многие столкнутся, чтобы сформировать одну большую планету или стать материалом для другой крупной протопланеты, или протопланет. Те объекты, что оказались достаточно массивными, чтобы захватить большинство материи в орбитальных окрестностях, станут планетами.
Энергичное столкновение с планетозималями (так же как радиоактивный распад) нагреют молодую планету. Внутренние области планеты начинают дифференцироваться по массе, развивается более плотное ядро. Совсем небольшие планеты теряют атмосферу.
ЗВЕЗДЫ
Эволюция звезд
Процесс эволюции звезд стал проясняться, когда астрономы и физики обнаружили источник звездной энергии – термоядерную реакцию перехода водорода в гелий.
Рассмотрим холодное межзвездное облако пыли и газа с массой, примерно равной массе нашего Солнца, и размерами, достигающими размеров современной Солнечной системы. Равновесие внутри такого облака может быть внезапно нарушено, и все его частицы с ускорением свободного падения устремятся к центру. Произойдет коллапс – стремительное сжатие. Коллапсирующее облако всего за половину земного года уменьшится до размеров, которые лишь в 100 раз превышают нынешние размеры Солнца. Это уже не облако газо-пылевой материи, а рождающаяся звезда.
Освобождение огромного количества внутренней энергии облака приводит к его разогреву. Температура поверхности звездного «эмбриона» достигает только 4000 К, но суммарная яркость всей огромной поверхности облака в сотни раз превосходит яркость Солнца. Весь процесс идет настолько стремительно, что постороннему наблюдателю должно казаться, будто на небе практически мгновенно загорается неизвестная раньше звезда.
Во второй фазе своей эволюции формирующаяся звезда быстро вращается, из ее недр вырываются мощные струи вещества. Постепенно размеры такой звезды сокращаются до размеров Солнца, утечка вещества из недр замирает, температура недр достигает значения в 10 млн. градусов, и термоядерная реакция перехода водорода в гелий становится основным источником излучаемой звездной энергии. Молодая звезда полностью сформировалась: она достигла третьей, стабильной стадии своего существования, в которой может спокойно находиться несколько миллиардов лет.
Некоторые астрономы придерживаются той точки зрения, что звезды рождаются не из разреженного газо-пылевого облака, а из сверхплотного дозвездного вещества. В результате чудовищного взрыва такое сверхплотное дозвездное вещество распадается на отдельные фрагменты, каждый из которых, расширяясь до нормального звездного состояния, становится отдельной звездой.
По мере сгорания водорода температура и давление в недрах звезды увеличиваются. В звезде начинают выделяться очень плотное ядро и разреженная оболочка. Остатки водорода выгорают на границе оболочки и ядра. При этом оболочка непрерывно раздувается и температура на поверхности звезды снижается. Эта звезда – красный гигант.
Жизнь звезды – это поединок двух противоборствующих сил. Давление горячих газов постоянно стремится увеличить размеры звезды. Гравитационные силы взаимного притяжения всех составляющих звезду частиц вещества стремятся сжать ее как можно больше. Звезда остается в обычном «уравновешенном» состоянии, пока стремление горячих газов к расширению и гравитационное сжатие взаимно компенсируются. В результате выгорания водородного «топлива» действие гравитационных сил оказывается резко преобладающим. Тогда наступает стремительное сжатие звезды.
Теория рассматривает три варианта «агонии» старых звезд: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.
Белые карлики
Пусть масса звезды меньше 1,2 массы Солнца. Красный гигант в короткий срок растрачивает остатки водорода. Оболочка рассеивается в пространстве. Небольшое ядро наблюдается теперь как очень плотная и горячая звезда – белый карлик. Вещество белых карликов состоит из стиснутых атомных ядер и электронов.
Нейтронные звезды
Если исходная масса звезды превосходила массу Солнца более, чем в 1,2 раза, то звезда сжимается до состояния нейтронной звезды. Недра подобной звезды должны состоять из нейтронов.
Нейтронная звезда становится как бы одним цельным атомным ядром фантастических размеров. Плотность нейтронных звезд заключается в пределах от 1012 до 1015 г/см3.
Черные дыры
Третий теоретически возможный вариант звездной «кончины» представляет собой гравитационное сжатие звезд с массой больше двух масс Солнца. Вокруг них в результате гравитационного сжатия возникает настолько сильное искривление пространства, что электромагнитное излучение вообще не в силах вырваться за пределы этого объекта. Звезды, претерпевающие такое сжатие, становятся невидимыми. Благодаря своему чудовищному гравитационному полю «черная дыра» захватывает и поглощает все проходящее мимо излучение.
Черная дыра – это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.
Граница этой области называется горизонтом событий, а ее радиус (если она сферически симметрична) – гравитационным радиусом.
Судьба Солнца
Превращение нашего Солнца в красный гигант – неминуемо. Сейчас на Солнце сгорает водород, и пройдет очень много времени прежде, чем температура в центре нашей звезды достигнет величин, при которой станет возможным горение более тяжелых элементов. Оценки показывают, что гравитационного коллапса Солнца следует ожидать не ранее, чем через 5 миллиардов лет.
ГАЛАКТИКИ
Галактика (др. греч. Γαλαξίας – Млечный Путь) – гравитационно-связанная система из звезд, межзвездного газа, пыли и темной материи.
Галактика Андромеда ‒ M31 (NGC 224)
Млечный Путь
Млечный Путь является большой спиральной галактикой с перемычкой, диаметром около 100 000 световых лет и толщиной в 3000 световых лет. Солнце с Солнечной системой находятся внутри галактического диска, наполненного пылью, поглощающей свет. Поэтому на небе мы видим полосу звезд, но клочковатую, напоминающую сгустки молока. Из-за поглощения света Млечный Путь как галактика изучен не до конца: до конца не выяснен морфологический тип, неизвестно число спиралей и т.д. Галактика содержит около 3 ∙ 1011 звезд, а ее общая масса составляет около 3 ∙ 1012 масс Солнца. Наша Галактика вращается дифференциально: на периферии скорость ее вращения меньше, чем в центральных областях. Период обращения нашей Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет приблизительно 200 миллионов лет.
История изучения галактик
В 1610 году Галилео Галилей при исследовании Млечного Пути с помощью телескопа обнаружил, что Млечный Путь состоит из огромного числа слабых звезд. В трактате 1755 года Иммануил Кант предположил, что Галактика может быть вращающимся телом, которое состоит из огромного количества звезд, удерживаемых гравитационными силами, сходными с теми, что действуют в Солнечной системе, но в бо́льших масштабах. С точки наблюдения, расположенной внутри Галактики (в частности, в нашей Солнечной системе), получившийся диск будет виден на ночном небе как светлая полоса. Кант высказал и предположение, что некоторые из туманностей, видимых на ночном небе, могут быть отдельными галактиками.
В 1785 году Уильям Гершель попытался определить форму и размеры Млечного Пути и положения в нем Солнца, используя метод «черпаков» – подсчета звезд по разным направлениям.
В 1924 году Эдвин Хаббл измерил расстояние до туманности Андромеды. Оно оказалось огромным (хотя и в 3 раза меньше современной величины). Это подтвердило, что туманность Андромеды – не часть Млечного Пути.
Современная картина нашей Галактики появилась в 1930 году после исследования Роберта Джулиуса Трюмплера.
В 1970-х годах стало понятно, что общая видимая масса галактик (состоящая из массы звезд и межзвездного газа), не объясняет скорости вращения газа. Это привело к выводу о существовании темной материи.
В начале 1990-х годов с помощью космического телескопа «Хаббл» были получены изображения далекого космоса, показавшие, что в нашей Вселенной существуют сотни миллиардов галактик.
Галактики не имеют четких границ. Нельзя точно сказать, где кончается галактика и начинается межгалактическое пространство. К примеру, если в оптическом диапазоне галактика имеет один размер, то определяемый по радионаблюдениям межзвездного газа радиус галактики может оказаться в десятки раз больше.
Закон Хаббла
Закон Хаббла установлен экспериментально Э. Хабблом в 1929 году для галактик с помощью телескопа, который разрешает ближайшие галактики на звезды.
Математически он формулируется очень просто:
v = H r
где v – скорость удаления галактики от нас,
r – расстояние до нее,
H – постоянная Хаббла.
Современное значение постоянной Хаббла составляет 74,2 ± 3,6 км/с на мегапарсек.
Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св. лет). Расстояния до таких объектов теряют однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной.
Возможная нелинейность закона
В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования темной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла. Было обнаружено, по-видимому, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, так как последний действует на более близких расстояниях, чем эти новые эффекты.
ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Большой взрыв (от англ. Big Bang) – гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,73 ± 0,12 млрд. лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 K (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.
Приблизительно через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время – 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу – образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза – образования ядер: протоны, объединяясь с нейтронами, образовывали ядра дейтерия (дейтерий – тяжелый водород, ядро которого состоит из двух нейтронов и одного протона), гелия-4 (ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов) и др. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода. Излучение перестало взаимодействовать с материей, стало свободно распространяться в пространстве и дошло до нас в виде реликтового излучения.
Экстраполяция наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени приводит при использовании общей теории относительности и некоторых других альтернативных теорий гравитации к бесконечной плотности и температуре в конечный момент времени в прошлом. Более того, теория не дает никакой возможности говорить о чем-либо, что предшествовало этому моменту (потому, что наша математическая модель пространства-времени в момент Большого взрыва теряет применимость: при этом теория вовсе не отрицает возможность существования чего-либо до Большого взрыва), а размеры Вселенной тогда равнялись нулю – она была сжата в точку. Это состояние называется космологической сингулярностью и сигнализирует о недостаточности описания Вселенной классической общей теорией относительности. Насколько близко к сингулярности можно экстраполировать известную физику, является предметом научных дебатов, но практически общепринято, что допланковскую эпоху рассматривать известными методами нельзя. Многие ученые полушутя-полусерьезно называют космологическую сингулярность «рождением» (или «сотворением») Вселенной.
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра – средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.
Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа – порядка сотой доли секунды от «начала мира».
Открытие реликтового излучения
В 1964 году физики Арно Пензиас и Роберт Вилсон, занимавшиеся обслуживанием радиоантенны слежения за американским космическим спутником «Эхо» в Холмделе (Нью-Джерси), решили проверить некоторые свои научные гипотезы о радиоизлучении тех или иных объектов Вселенной. Антенна была самым чувствительным на тот момент детектором СВЧ-волн, а потому сначала ее надо было правильно настроить, чтобы исключить возможные помехи.
Для тестирования была выбрана длина волны 7,35 см, на которой не излучал ни один из известных источников. Работа долго не клеилась, поскольку антенна постоянно фиксировала некий дополнительный посторонний шум, от которого никак нельзя было избавиться. Шум не зависел ни от направления антенны, что означало, что его источник находится за пределами Земли и ее атмосферы, ни от времени суток, то есть не мог быть связан с Солнцем или планетами. Если бы причина крылась в нашей Галактике, то интенсивность излучения изменялась бы из-за вращения 3емли вокруг своей оси и вокруг Солнца, изменяющего направление антенны на те или иные участки космоса. Шум же был везде и всегда.
Интенсивность этого радиосигнала оказалась равной интенсивности излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Потратив около года на устранение неустранимой помехи, Пензиас и Вилсон поняли, что нашли то, чего не теряли, – реликтовое излучение ранней Вселенной, существование которого было предсказано Гамовым еще в 1948 году.
Теоретическое обоснование открытия взяли на себя принстонцы, но тем не менее Нобелевская премия 1978 года была присуждена Пензиасу и Вилсону именно за практическое обнаружение излучения.
Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную, и, если мы могли бы видеть микроволны, все небо пылало бы с поразительно одинаковой яркостью во всех направлениях. Эта однородность является одной из главных причин, по которой это излучение считают теплом, оставшимся от Большого взрыва. Но как может локальный источник создать подобную однородность? Оказывается, этому способствует сам процесс расширения пространства. Чтобы наглядно понять, как это происходит, представьте себе такую большую и очевидную неоднородность, как гора Джомолунгма. Теперь начните мысленно растягивать эту гору в ширину, оставляя высоту неизменной. Если как следует постараться и растянуть ее в ширину, скажем, на миллион километров, то получится почти идеально плоская поверхность – перепад высот в 8 км (высота горы) будет практически незаметен на таком колоссальном масштабе. Именно это и происходит при расширении пространства после Большого взрыва – все неоднородности сглаживаются. Но возникшие после инфляции крошечные изменения в плотности материи в ранней Вселенной должны были оставить отпечаток на реликтовом излучении в форме температурных колебаний от точки к точке.
Что такое расширение Вселенной?
Не следует воспринимать термин «Большой Взрыв» буквально. Он не был бомбой, взорвавшейся в центре Вселенной. Это был взрыв самого пространства, который произошел повсеместно, подобно тому, как расширяется поверхность надуваемого воздушного шара. Необходимо различать расширение пространства и расширением в пространстве.
Расширение нашей Вселенной очень похоже на надувание воздушного шара. Расстояния до далеких галактик увеличиваются. В действительности расширяется пространство между нами и галактиками, хаотически движущимися внутри практически неподвижных скоплений.
Расширение пространства
На что был похож Большой Взрыв?
Неверно: Вселенная родилась тогда, когда вещество, подобно бомбе, взорвалось в определенном месте. Давление было высоким в центре и низким в окружающей пустоте, что и вызвало разлет вещества.
Верно: Это был взрыв самого пространства, который привел вещество в движение. Наше пространство и время возникло в Большом взрыве и начало расширяться. Нигде не было центра, т.к. условия всюду были одинаковыми, никакого перепада давления, характерного для обычного взрыва, не было.
Иногда космологи заявляют, что Вселенная когда-то была не больше грейпфрута, но они имеют в виду лишь ту ее часть, которую мы сейчас можем наблюдать.
У обитателей туманности Андромеды или других галактик свои наблюдаемые вселенные. Наблюдатели, находящиеся в Андромеде, могут видеть галактики, которые недоступны нам, зато они не могут созерцать те, которые рассматриваем мы. Их наблюдаемая Вселенная тоже была размером с грейпфрут. Можно вообразить, что ранняя Вселенная была похожа на кучу этих фруктов, безгранично простирающуюся во всех направлениях. Значит, представление о том, что Большой взрыв был «маленьким», ошибочно. Пространство Вселенной безгранично. И как его ни сжимай, оно таковым и останется.
Могут ли галактики удаляться со скоростью выше скорости света?
Неверно: Частная теория относительности Эйнштейна запрещает это. Рассмотрим область пространства, содержащую несколько галактик. Из-за ее расширения галактики удаляются от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость (красные стрелки). Если скорость света – предел, то скорость удаления должна в итоге стать постоянной.
Верно: Разумеется, могут. Частная теория относительности не рассматривает скорость удаления. Скорость удаления бесконечно возрастает с расстоянием. Дальше некоторого расстояния, называемого хаббловским, она превышает скорость света. Это не является нарушением теории относительности, поскольку удаление вызвано не движением в пространстве, а расширением самого пространства.