3. Основные концепции космологии

Проблемы зарождения и существования Вселенной занимали самого древнего человека. Небо, которое было доступно его обозрению, было для него очень интересно. Недаром астрономия считается одной из самых древних наук о природе. Не потерял интереса к изучению проблем космоса и современный человек, но он смотрит глубже, его уже интересует не просто выяснение вопроса, что есть Вселенная? Современные ученые ищут ответы на следующие вопросы:

а) Что было, когда Вселенная рождалась?

б) Как давно это было и как происходило?

в) Рождалась ли Вселенная вообще или она глобально стационарна?

Для поиска ответов на эти непростые вопросы в астрономии появилась новая отрасль – космология. По определению А.Л. Зельманова космология – это совокупность накопленных теоретических положений о строении вещества и структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. Космология стала искать различные варианты ответов на поставленные вопросы, выдвигать различные теории и гипотезы. Так появилась Теория Большого взрыва и гипотезы, описывающие первые мгновения рождения Вселенной, ее структуризацию и развитие.

Принято считать, что основные положения современной космологии начали формироваться после создания в 1917г. А. Эйнштейном первой релятивистской моде­ли, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Данная модель ха­рактеризовала статическую Вселенную и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

В 1922 г. в Петрограде замечательный математик А.А. Фридман на основе уравнений общей теории относительности создал теорию эволюции наблюдаемой Вселенной. В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она должна расширяться либо сужаться.

В соответствии с этой теорией Вселенная является системой сугубо нестацио­нарной, причем характер ее эволюции может быть поставлен в зависимость всего от одного наиболее важного парамет­ра — пространственной плотности  Вселенной в целом.

Фридман сумел расчетным путем определить крити­ческое значение данного параметра _кр == 10^-29 г/см³, ко­торое соответствует состоянию неустойчивого равновесия всей Метагалактики. При плотности вещества, меньшей критического значения ( < _кр), Вселенная бесконечно расширяется. Напротив, при плотности, большей критического значения ( > _кр), Вселенная после неко­торого этапа расширения начинает вновь сжиматься, со­кращая свой объем до минимума под действием все воз­растающих сил гравитации.

Таким образом, согласно указанной теории Фридмана, возможны два основных варианта эволюции нестационар­ной Вселенной:

• бесконечного расширения;

• пульсирующего расширения и сжатия.

Оба возможных варианта эволюции имеют лишь одну общую исходную точку, связанную с на­чальным моментом развития Вселенной, который впоследст­вии получил название Большой Взрыв. Не строя гипотез по поводу причин такого начала эволюции, следует лишь отме­тить заслугу Фридмана в осознании нестационарности гло­бальных процессов, протекающих в Метагалактике.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл, используя уже известные спектральные методы измерения расстояний до звезд и обобщив накопленные данные на­блюдений, открыл явление пропорционального увеличения ско­рости V «разбегания» галактик в зависимости от их уда­ленности r, получившее название закона Хаббла и описываемого следующей простой формулой:

V = Н · r ,

где Н — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла.

Согласно этому закону скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее.

В основе этого открытия лежит эффект так называемого красного смещения, при котором спектры излучения удаляю­щихся звездных объектов всегда смещены к инфракрасной области. В свою очередь, подобное смещение спектра излуче­ния в длинноволновую часть является следствием действия известного в физике эффекта Доплера. Этот эффект открыт в 1842г. австрийским ученым X. Доплером и показывает изменение частоты любых волновых колебаний (световых, звуковых и т.д.) при относительном движении на­блюдателя и источника этих волн.

Открытый Хабблом закон вовсе не означает, что на­ша планета является вновь центром Вселенной, как в древней концепции геоцентризма. Просто все звездные элементы Метагалактики одинаково равномерно удаля­ются друг от друга в процессе всеобщего расширения в пространстве после происшедшего Большого Взрыва. Сложение скоростей взаимного удаления внегалактиче­ских объектов как раз и приводит к эффекту пропорцио­нального увеличения «красного смещения» более удаленных объектов для наземного наблюдателя.

Установление закона Хаббла играет также огромную роль и в определении возраста наблюдаемой Вселенной, позволяя на основе скорости «разбегания» галактик как бы реконструировать ход событий в обратном порядке вплоть до момента Большого Взрыва. Постоянная Хаббла в связи с этим многократно подвергалась уточнению и в настоящее время определяется примерно следующим расчетным значением: Н  55 км/(сек • Мегапарсек).

Принимая за основу рассмотренную концепцию рас­ширяющейся Вселенной, современная космология с уче­том указанной уточненной скорости этого расширения ориентировочно оценивает общий возраст Метагалак­тики с момента Большого Взрыва величиной времени около 18 млрд лет.

Благодаря усилиям российского ученого Г.А. (Дж.) Гамова (эмигрировавшего в 1933 г. во Фран­цию, а позже — в США) теория развития новорожденной Вселенной в первые мгновения, секунды, часы после Большого Взрыва разработана достаточно подробно (т.н. модель горячей Вселенной). Со­гласно указанной теории, в результате Взрыва высвободи­лось огромное количество энергии и раскаленного до миллиардов градусов первовещества, состоящего из различ­ных видов элементарных частиц. Стремительно расширяясь в пространстве и являясь источником мощнейшего элек­тромагнитного излучения, первовещество разбивалось на отдельные потоки. Нарушение симметрии распростране­ния этих потоков неизбежно приводило к образованию вихреобразных турбулентностей. Подобные завихрения, разбива­ясь на все более мелкие образования, и стали впоследст­вии основой многочисленных звездных галактик, вклю­чающих в себя сотни миллиардов отдельных звезд.

Подтверждением справедливости данной научной кон­цепции Гамова стало открытие в 1965 г. явления так на­зываемого реликтового излучения, принимаемого из лю­бой точки небесной сферы и представляющего собой ос­таточное свидетельство первичного моря образовавшейся при Большом Взрыве электромагнитной энергии.

Реликтовое излучение – это фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютного черного тела с температурой около 3К. Наблюдается оно на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров практически изотропно.

В чем суть открытого реликтового излучения? Так называемый «отрыв» излучения от вещества происходил, когда температура в расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К. В ходе последующего расширения Вселенной температура снижалась, но характер излучения (его спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой «молодости» Метагалактики.

Отечественный астрофизик И.С. Шкловский предложил называть это излучение реликтовым. Теория предсказала существование реликтового излучения. Теоретические оценки температуры реликтового излучения были даны в 40-50 г.г. в работах Г.А. Гамова, а затем его учеников Р. Альфреда и Р. Германа. В 1964 г. советские астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили конкретные расчеты интенсивности излучения различных объектов: звезд, межзвездной пыли, галактики и т.д.

В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевской премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г. они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение.