Тема № 14: «Будова Всесвіту. Еволюція Всесвіту»

  1. 1.     Моделі Всесвіту.

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 він не має країв і містить нескінченну кількість зір та галактик. Але у такому вічному та безмежному Все­світі виникають суперечності, які в астрономії називають космологічними парадоксами. Існують три космологічні парадокси: фотометричний, гравітаційний та «теплої смерті» Всесвіту.

Ми розглянемо тільки фотометричний парадокс, який був сформульований у 1744 р. швейцарським ас­трономом Ж. Шезо та доповнений німецьким астроно­мом І. Ольберсом у 1826 р. Коротко суть цього парадокса можна виразити у такому запитанні: «Якщо Всесвіт нескінченний, то чому вночі темно?». Здається, що на це запитання зможе відповісти кожний учень,  адже зміну дня і ночі вивчають у початковій школі. Але нам треба пам’ятати, що над нічною поверхнею Землі сві­тить безліч зір безмежного Всесвіту, які випромінюють нескінченну кількість енергії, тому освітлення від зір та галактик має бути не меншим за освітлення, яке створює Сонце. Але з власного досвіду ми бачимо, що вночі небо набагато темніше, ніж вдень. Математики запропонували таку модель Всесвіту, у якій можна спростувати фотометричний парадокс. Всесвіт може бути безмежний, але скінченний.

В одновимірному про­сторі такий безмежний скінченний світ — це звичайне коло або будь-яка інша замкнена крива .

Зачинений двовимірний простір — поверхня сфери, яка не має межі, але площа поверхні сфери є скінченною величиною.

Ми живемо у тривимірному просторі, і важко уявити собі такий зачинений Всесвіт, який не має межі, але має скінченний об’єм і, отже, обмежену кількість зір та галактик. У такому Всесвіті немає центра, всі точки в ньому рівноправні й у всіх напрямах простір однорід­ний. На практиці важко перевірити, у якому просторі мешкають якісь істоти, і дізнатися, чи простір є скін­ченним. Якщо простір зачинений, то мандрівник, подо­рожуючи в одному напрямку, може зробити кругосвітню мандрівку і повернутись у точку старту. В історії земної цивілізації першу таку подорож зробив Магеллан, який довів, що поверхня Землі є зачиненим двови­мірним простором.

У тривимірному Всесвіті космонавти ніколи не зможуть завершити таку навколосвітню мандрівку, тому перевірку можна зробити тільки за допомогою теоретичних міркувань, які ми розглянемо в наступ­ному параграфі.

Коло може служити моделлю без­межного одновимірного світу, який має скінченну довжину. У такому просто­рі можна зробити навко­лосвітню мандрівку і вер­нутися на місце старту

Сфера може бути моделлю двовимір­ного безмежного світу, який має скінченну пло­щу. У такому просторі теж можна здійснити кру­госвітню подорож — так Магеллан довів, що по­верхня Землі не має межі

Всесвіт має складну комірчасту структуру, у якій відбувається гравітаційна взаємодія всіх космічних тіл. Навколо зір обертаються інші зорі й планети. Крім того, зорі утворюють величезні скупчення, які налічують сотні тисяч і мільйони об’єктів. У спільному полі тяжіння галактик знаходяться уже сотні мільяр­дів зір, які обертаються навколо спільного центра. Галактики теж утворюють окремі скупчення, які розміщені у великому масштабі не хаотично, а утворюють дуже дивні структури, що нагадують величезні сітки з волокон. Ми живемо у Всесвіті, який розширюється у безмежному просторі.

 

  1. 2.     Розподіл галактик у Всесвіті.

Спостерігаючи гравітацій­ну взаємодію планет та зір, астрономи звернули увагу на своєрідну ієрархічну структуру руху космічних тіл:

1)      Планети та їх супутники, що обертаються навколо своєї зорі.

2)      Зоряні скупчення,  які налічують тисячі й навіть мільйони об’єктів.

3)      Галактики об’єднують у спільне гравітаційне поле сотні мільярдів зір, які обертаються навколо спіль­ного ядра.

4)      Скупчення галактик, які налічують мільйони об’єктів.

Наша Галактика та галактика М 31 входять до Міс­цевої групи галактик. Найбільші скупчення галактик спостерігаються у сузір’ях Діви та Волосся Вероніки. У   цьому   напрямку   астрономи   відкрили своєрідну Велику Стіну, де на відстані 500 млн св. ро­ків виявляється значне збільшення кількості галактик в порівнянні з іншими напрямками.

Окремі галактики взаємодіють між собою, навіть відбуваються їх зіткнення, коли одна галактика по­глинає іншу — спостерігається своєрідний галактич­ний «канібалізм». На останній, четвертій, ступені ієрархічної структури скупчення галактик майже не взаємодіють між собою, тому не виявлено якогось спільного центра, навколо якого могли б обер­татися мільйони галактик.

Ще однією характерною рисою розподілу галактик у просторі є те, що вони розміщені у Всесвіті у велико­му масштабі не хаотично, а утворюють дуже дивні структури, які нагадують величезні сітки з волокон. Ці волокна оточують гігантські, відносно пусті області — порожнечі. Деякі порожнечі мають діаметр 300 млн св. ро­ків — на сьогодні це найбільші відомі утворення у Все­світі. Імовірнішим поясненням цієї волокнистої струк­тури Всесвіту є те, що галактики у просторі розташовані на поверхні величезних бульбашок, а порожнечі є їх внутрішньою областю. З поверхні Землі нам тільки зда­ється, що галактики розташовані подібно до намиста, яке нанизане на волокнах, бо ми їх бачимо на обідках величезних космічних бульбашок. Най­більшим із таких космічних волокон у структурі га­лактик і є Велика Стіна завдовжки 600 млн св. років і завширшки 200 млн св. років. Просторова модель Всесвіту нагадує шматок пемзи, який у цілому має одно­рідну структуру, але окремі об’єкти мають порожнини.

  1. 3.     Великий Вибух та вік Всесвіту.

У XX ст. загальна тео­рія відносності А. Ейнштейна допомогла 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 знаходилися ближче одна до одної. За допомогою сталої Габбла можна підрахува­ти, коли всі галактики до початку розширення могли знаходитись в одній точці. Моментом початку розши­рення Всесвіту є дивний Великий Вибух, який пов’яза­ний з віком Т Всесвіту: Т = 1/Н.

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

На перший погляд здається, що для побудови теорії еволюції Всесвіту велике значення має встановлення місця Великого Вибуху. 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, але і зміну параметрів самого Всесвіту. Іншими словами, галактики не летять відносно решти Всесвіту, бо 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.

Великий   Вибух   — дивний процес при за­роджені Всесвіту, ко­ли почалося загадкове розширення космічно­го простору й утворен­ня елементарних частинок, атомів та великих космічних тіл.

 

  1. 4.     Головні ери в історії Всесвіту.

Головні ери в історії Всесвіту. Всесвіт на початку існуван­ня мав настільки маленькі розміри, що тоді не було ні га­лактик, ні зір і навіть ще не існували елементарні частин­ки. Густина та 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 латин. — єдиний).

Сингулярність — по­чатковий момент при за­родженні Всесвіту, коли густина і температура матерії сягали надзви­чайно великих значень.

Потім гу­стина і температура Всесвіту почали знижуватись і стали утворюватися елементарні частинки, атоми і галактики. Усю історію нашого Всесвіту можна розділити на чотири ери — андронна, лептонна, випромінювання та речовини (таблиця).

 

З філософської точки зору між елементарними частинками та електромагнітними хвилями немає суттєвої різниці, бо все суще у природі є матерією. Але з фізичної точки зору принципова різниця між цими видами матерії полягає в тому, що швидкість елемен­тарних частинок (електронів, протонів та нейтронів), з яких утворені зорі, планети і, нарешті, ми з вами, ніколи не може досягти швидкості світла, в той час як кванти електромагнітних хвиль ніколи не можуть мати швидкість меншу від швидкості світла.

 

  1. 5.     Реліктове фонове випромінювання.

Ті кванти елек­тромагнітного випромінювання, що відірвалися від еле­ментарних частинок в еру випромінювання, доходять до нас з усіх боків які відповідають електромагнітному випромінюванню абсолютно чорного тіла з температу­рою 2,7 К (рис.).

Чим далі від Землі знаходиться кос­мічний об’єкт, тим більш молодим ми його бачимо, бо світло від нього дося­гає поверхні Землі через мільярди років. На межі видимої частини Всесвіту з відстані 10 млрд св. років надходить випромінюван­ня, яке утворилося за ча­сів Великого Вибуху. На відстані 5 млрд св. років ми бачимо квазари, з яких пізніше формуються га­лактики

Реліктове випромі­нювання — кванти світла, що утворилися 15 млрд років тому. Вони відділились від елементарних частинок і почали самостійне по­ширення у Всесвіті. За допомогою цього ви­промінювання виміря­ли середню температу­ру Всесвіту 2,7 К

На початку існування кванти мали велику енергію, тому випромінювання відбувалося у високочастотній частині спектра електромагнітних хвиль в гамма-діапазоні. З часом гамма-кванти втрача­ли енергію, тому довжина електромагнітних хвиль збільшувалась, і через 105 років після Великого Вибуху максимум випромінювання припадав вже на видиму частину спектра — тоді молодий Всесвіт справді мав вигляд яскравої вогняної кулі й був подібний до вибуху ядерної бомби. Через 10 млн років максимум випромі­нювання вже знаходився в інфрачервоній частині спек­тра, а через 14 млрд років середня температура Всесвіту зменшилася до 2,7 К, тому зараз максимум випроміню­вання знаходиться у радіодіапазоні на хвилі завдовжки 1 мм. Таке випромінювання надходить до Землі звіду­сіль, його інтенсивність та частота не залежать від на­прямку, і це свідчить про те, що середня температура Всесвіту повсюди однакова. Цікаво, що передбачив існування гарячого раннього Всесвіту ще 60 років тому уродженець Одеси Г. Гамов (США), але зареєстрували ці реліктові електромагнітні хвилі тільки у 1965 р.

 

  1. 6.     Чи буде кінець світу?

Гравітаційна взаємодія речовини в майбутньому може зменшити швидкість розширення Всесвіту. Виявляється, якщо середня густина Всесвіту має критичне значення р0 = 5∙10-27 кг/м3, а стала Габбла Н = 70 км/(с∙Мпк), розширення буде відбуватися вічно. Розрахунки показують, що майбутня доля нашого Всесвіту залежить від значення справжньої середньої густини р щодо критичної густини р0. Можуть бути три сценарії майбутнього розвитку подій:

1) р < р0; 2) р > р0; 3) р = р0.

Розглянемо ці моделі можливої еволюції нашого світу:

Якщо середня густина Всесвіту р < р0, то галактики будуть розлітатися вічно, і в майбутньому температура фонового випромінювання поступово буде знижуватись,   наближуючись   до   абсолютного   нуля, а максимум випромінювання з часом буде зміщуватись
у сантиметровий та метровий діапазони електромагніт­ них хвиль (рис.)

У відчиненому Всесвіті справедлива неевклідова геометрія, ко­ли сума кутів у трикутни­ку менша від 180°

Такий Всесвіт називають відчине­ним, він не має межі у просторі й може існувати вічно,
поступово перетворюючись в ніщо.

Якщо у космосі виявиться значна прихована маса і середня густина буде р > р0, тоді розширення Все­світу через деякий час припиниться. Такий Всесвіт на­зивають зачиненим — він не має межі у просторі, але має початок і кінець у часі (рис.)

Для зачинено­го Всесвіту є правильною неевклідова геометрія, коли сума кутів у трикут­нику більша 180°

Через кілька мільярдів років розлітання галактик на мить зупиниться, а потім почнеться стиснення Всесвіту, бо гравітаційна сила змусить галактики зближуватись. Зближення галактик призведе до трагічних наслідків для живих організмів, бо енергія фонового випромінювання і температура Всесвіту будуть зростати (рис.).

У геометрії Ев­кліда паралельні прямі не перетинаються, а су­ма кутів у трикутнику до­рівнює 180°

Небо почне світитися спочатку червоним кольором, а потім стане синім. Цей кінець світу відбуватиметься без свідків, бо температура зросте настільки, що всі живі істоти заги­нуть, потім зникнуть зорі, планети, елементарні частинки і Всесвіт знову перетвориться у речовину з надзвичайно великою густиною.

Існує також ймовірність того, що середня густина Всесвіту дорівнює критичній густині р =р0 = 5∙10-27 кг/м3. У цьому випадку безмежний та нескін­ченний Всесвіт має нульову кривизну, і для нього спра­ведлива геометрія Евкліда (рис.).

Еволюція зачи­неного Всесвіту.

Такий світ збільшується до пев­них максимальних роз­мірів, після чого галакти­ки почнуть зближуватись. Початок та кінець такого Всесвіту мають нескін­ченно велику температуру і густину

Галактики бу­дуть розлітатися вічно, температура Всесвіту буде вічно наближуватися до абсолютного нуля… Цей сценарій еволюції цікавий ще й тим, що при ньому загальна енергія Всесвіту залишається рівною нулю: . Тобто якщо вважати потенційну енергію тяжіння нега­тивною, а кінетичну енергію руху — позитивною, то Всесвіт міг виникнути з нічого у фізичному вакуумі як дивовижне збурення, тому з часом він теж може пере­творитись у ніщо.

Хоча це на перший погляд здається неймовірним, але ми можемо жити у такому «самостворюваному» світі, який випадково почав своє існування. Таке свого роду дивне створення первісної космічної енергії з абсо­лютно «нічого» трохи нагадує «скатерть-самобранку» з відомої казки.

За сучасними дослідженнями середня густина Всесвіту р < р0, тобто галактики будуть розлітатися вічно. Сучасні спостереження підтверджують існування у Всесвіті прихованої маси, яка зосереджена у тілах, що випромінюють незначну енергію у вигляді елек­тромагнітних хвиль — чорні діри, пульсари, нейтринне випромінювання, гравітаційні хвилі тощо. Астрономи, які займаються проблемами космології, запропонували гіпотезу про існування нового класу елементарних частинок, яким дали таку умовну назву — Слабко Взаємодіючі Масивні Частинки (СВМЧ). Якщо ці гіпотези про приховану масу підтвердяться, то середня густина Всесвіту може бути більша за критичну (р > р0) і майбутня еволюція Всесвіту буде проходити за другим сценарієм.

Еволюція Всесвіту почалася з Великого Вибуху надзвичайно щільної мате­рії 13—20 млрд років тому, коли пішло загадкове розширення космічного простору. Про це свідчить розлітання галактик, яке триває до цього часу, і вміст Гелію (25 %) та Гідрогену (75 %) у речовині. Надзвичайно високу температуру молодого Всесвіту підтверджує реліктове електромагнітне випромінювання. Майбутнє Всесвіту залежить від середньої густини речовини, яка взаємодіє згідно із законом всесвітнього тяжіння. Можливо, що Всесвіт є відкритим та нескінченним, і його розширення буде тривати вічно. Але якщо середня густина речовини у Всесвіті більша від деякої критичної величини р0, то такий Всесвіт може періодично розши­рюватись, а потім стискатись.

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s