Элементы касмалогii i касмагонii

Вызначэньне адлегласьцi галактык.

Галактики находятся на очень больших расстояниях от Солнца. Только в ближайших из них можно выделить отдельные звёзды, остальные видны в виде туманных пятен. Поэтому долгое время было невозможно определить расстояния до галактик. Лишь в 20-х годах нынешнего столетия удалось различить знакомые типы звёзд в соседних галактиках и по их характеристикам определить приблизительные расстояния.

Из наблюдений было установлено, что скорость удаления V_r, соответствующая красному смещению z = Dl/l, увеличивается в среднем линейно с расстоянием r от галактики:

V_r = c ^. Dl/l = H ^. r.

Эта зависимость носит название закона Хаббла, а коэффициент пропорциональности H - постоянной Хаббла.

/ЧИТАТЬ/

Чырвонае зрушэнне ў спектрах галактык.

В 1929 году Эдвин Хаббл сообщил об открытии фундаментальной закономерности. Он обнаружил, что все линии в спектрах далёких галактик заметно смещены в сторону красного конца спектра. Так как наша Галактика не может иметь никакого преимущественного положения во Вселенной, наблюдаемое разбегание галактик есть выражение взаимного удаления всех галактик друг от друга.

Это явление связано с происходящим увеличением средних расстояний между галактиками, которое называется расширением Вселенной.

Из наблюдений было установлено, что скорость удаления V_r, соответствующая красному смещению z = Dl/l, увеличивается в среднем линейно с расстоянием r от галактики:

V_r = c ^. Dl/l = H ^. r.

Эта зависимость носит название закона Хаббла, а коэффициент пропорциональности H - постоянной Хаббла.

С принятыми значениями H наблюдающимся скоростям 110 000 км/сек далёких галактик соответствуют расстояния свыше 1 000 Мпс или около 3 млрд световых лет.

Нужно понимать, что закон c ^. Dl/l = H ^. r абсолютно верен, так как был многократно проверен наблюдениями. Соотношение же V_r = H ^. r верно только при допущении, что смещение спектральных линий вызывается эффектом Доплера, чего наблюдениями доказать нельзя. Можно лишь судить о большей или меньшей степени достоверности этого утверждения.

Если бы наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и галактики формировались из материи, разбросанной взрывом, то те из них, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном согласии с законом Хабла.

Принятие закона Хабла должно привести к выводу, что все галактики вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объёма.

Существует несколько альтернативных объяснений красного смещения, минуя эффект Доплера.

1. Гипотеза “старения кванта” основана на допущении, что фотоны при своём движении в пространстве теряют часть энергии, которая в них заключена. Утверждается, что таков закон движения фотона в пространстве. Энергия фотона пропорциональна частоте, т.е. обратно пропорциональна длине волны излучения. По мере того, как фотон путешествует в пространстве, длина волны излучения становится всё больше и весь спектр далёкого объекта оказывается смещённым в красную сторону. Величина смещения пропорциональна расстоянию. На малых расстояниях эффект старения кванта незначителен и его нельзя обнаружить из наблюдений, поэтому он сказывается только в спектрах далёких галактик.

2. Потеря энергии фотоном не есть просто закон его движения, а вызывается взаимодействием с другими фотонами излучения, заполняющими пространство Метагалактики и движущимися по всевозможным направлениям. Чем больший путь проходит фотон, тем в среднем больше взаимодействий он испытывает, тем больше будет красное смещение галактики.

Слабость этих гипотез состоит в том, что они требуют отказа от закона сохранения энергии. Если старение кванта есть просто закон его движения, то энергия теряется, не передаваясь ничему. Если же фотон теряет часть энергии, передавая её какой-то среде, другим фотонам или вообще каким-либо частицам, то всякая такая передача энергии должна быть связана с возможностью изменения направления полёта фотона. Фотоны, прошедшие большой путь должны заметно изменить направление своего движения в пространстве. Вследствие этого изображения далёких галактик должны быть размытыми, и чем дальше галактика, тем степень размытости её изображения должна быть больше. Но наблюдения показывают, что очертания очень далёких галактик также ясны, как и близких.

В настоящее время гипотезы старения квантов не находят сторонников.

Зная красное смещение галактик, легко определить, во сколько раз одна из них дальше другой. Но для оценки расстояния до каждой из них необходимо знать величину постоянной Хаббла.

Оказалось, что для сравнительно близких галактик, до которых расстояние удовлетворительно измеряется различными методами, закон Хаббла не всегда выполняется. А для далёких галактик, обладающих большими скоростями V_r, нет достаточно надёжных критериев определения расстояний без помощи красных смещений. Поэтому до сих пор оценки H, проведённые различными авторами, существенно различаются, хотя практически все они заключены в пределах от 50 до 100 км/(с^.Мпс).

Часто используется среднее значение Н = 75 км/(с^.Мпс).

Первоначальное значение, определённое Хабблом было 540 км/(с^.Мпс).

При красных смещениях около 1 закон Хаббла уже не работает, нужно применять более сложные формулы из специальной теории относительности.

V = c ^. (z² + 2z)/(z² + 2z + 2),

где z = Dl/l.

Для очень далёких галактик с большим красным смещением эта формула тоже неприменима. Она не учитывает влияние тяготения на изменение частоты световых волн.

27.2 "Гарачы Сусвет". Сучасныя ўяўленнi аб будове i эвалюцыi Сусвету.

Признание того, что красное смещение в спектрах вызвано эффектом Доплера приводит к выводу, что масса вещества, содержащаяся в галактиках находилась ранее в одном месте и была выброшена в пространство в результате взрыва.

До начала 20-х гг. XX века учёные были уверены, что Вселенная стационарна и ограничивается нашей Галактикой.

А.Эйнштейн рассматривал модель Вселенной однородной, изотропной и статичной. Такая Вселенная не получалась в результате решения уравнений теории относительности. Тогда Эйнштейн изменил уравнения, предположив, что в природе существует ещё один, новый тип сил. Так в уравнениях появился новый l - член, наличие которого означало, что между любыми двумя данными массами во Вселенной действует сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между ними.

Величину этой силы характеризует l - член. Его можно выбрать очень малым, чтобы в пределах Солнечной системы силы отталкивания были ничтожно малы по сравнению с силами притяжения. Но в масштабах Вселенной его наличие сказывается значительно.

В 1917 году Виллем де Ситтер предложил на базе уравнений Эйнштейна другую модель Вселенной. Эта модель описывала пустую Вселенную, однородную, изотропную, но не статическую.

В 1924 году Александр Фридман показал, что можно получить решения первоначальных уравнений Эйнштейна, описывающие заполненную материей однородную и изотропную Вселенную. Модели де Ситтера, Фридмана и Леметра предполагают расширение Вселенной.

Развитие наблюдательной астрономии привело к открытию далёких галактик, не являющихся объектами нашей Галактики. В 1929 году был открыт закон Хабла и в начале 30-х годов теоретики создали новую модель Вселенной, описывающуюся уравнениями Эйнштейна и получившую наблюдательное подтверждение.

Эта Вселенная оказалась расширяющейся и возникшей в результате Большого Взрыва первоначального вещества. Бесконечно сжатое вещество Вселенной до Большого Взрыва называют сингулярностью.

Наблюдения Вселенной приводят к важным выводам о том, что она однородна и изотропна. Однородность означает одинаковость всех свойств материи всюду в пространстве, а изотропия - одинаковость их в любом направлении. Однородность говорит об отсутствии выделенных областей пространства, а изотропия означает отсутствие выделенного направления.

Однородность подтверждается тем, что средняя плотность вещества одинакова для достаточно больших объёмов пространства во Вселенной. Размеры областей, в пределах которых среднюю плотность вещества можно считать одинаковой, гораздо меньше Метагалактики, но они велики по сравнению с масштабами местных неоднородностей, связанных с существованием галактик и их скоплений.

Изотропия подтверждается одинаковостью разбегания гадактик по всем направлениям. Предположения об однородности и изотропии Вселенной называют космологическим принципом.

В 1965 году было сделано открытие, подтвердившее предположение об изотропии и однородности Вселенной. Случайно было обнаружено слабое фоновое радиоизлучение с интенсивностью, одинаковой по всем направлениям. Согласно современным наблюдениям это излучение изотропно с точностью до нескольких десятых долей процента. По распределению энергии в спектре оно оказалось тепловым и соответствует температуре 3К.

При такой температуре максимум излучения приходится на диапазон спектра около 1 мм. В настоящее время неизвестны объекты Вселенной, которые бы могли давать такое излучение. На этом основании излучение было отождествлено с излучением Вселенной, сохранившимся с тех времён, когда плотность вещества была очень велика и Среда была сильно непрозрачной. Со временем, в результате расширения вещество охладилось, перешло из ионизованной в нейтральную фазу, стало непрозрачным. Не поглощаясь более средой, излучение как бы “оторвалось” от вещества и сохранилось до нашего времени. Расчёты показывают, что прозрачность вещества должна была наступить при плотности порядка 10^-20 г/см³, т.е. в миллиард раз превышающую современную. В эту эпоху расстояния во Вселенной были в 1000 раз меньше, во столько же раз была меньше и длина волны. Поэтому кванты, имеющие сейчас длину волны 1 мм, ранее имели длину 1 мкм, что соответствует максимуму излучения по закону Планка при температуре 3000 - 4000 К.

Таким образом, существование реликтового излучения является не только указанием на большую плотность Вселенной, но и на её высокую температуру. Вселенная ранее была более горячей.

Свыше 10 млрд лет назад Вселенная находилась в плотном и горячем состоянии. Можно указать момент, когда она начала расширяться из некоторого сверхплотного состояния.

Расширение Вселенной нельзя рассматривать как расширение сверхплотной вначале материи в окружающую пустоту, ибо окружающей пустоты не было. Вселенная - это всё существующее. Вещество Вселенной с самого начала однородно заполняло всё безграничное пространство. И хотя давление было огромным, оно не создавало расширяющей силы, так как везде было одинаковым. Причины начала расширения Вселенной связаны с квантовыми эффектами, возникающими в поле тяготения при огромных плотностях материи.

Различные теоретики построили многочисленные модели Вселенной, которые расширяются анизотропно на ранних стадиях, затем расширение приближается к закону Хаббла, так что по наблюдениям расширения в наше время эти модели не отличимы от модели Фридмана. Однако, современная космология создала модели Вселенной, сильно отличающиеся от фридмановских.

Для определения того, как происходило расширение вблизи сингулярности, какие протекали процессы, нужно провести расчёты при разных предположениях о расширении, о состоянии и составе вещества Вселенной и сравнить результаты расчётов с наблюдениями. Это позволит определить, какие из предположений истинны и восстановить картину далёкого прошлого Вселенной.

Решение Фридмана, продолженное в прошлое, формально даёт состояние бесконечной плотности вещества. При сверхвысокой плотности вещества перестаёт работать ОТО. Современная квантовая теория предсказывает возникновение квантовых эффектов тяготения вблизи сингулярности. Теория тяготения Эйнштейна - неквантовая теория, поэтому она не может описывать эффекты, связанные с квантованием в масштабах всей Вселенной. Теория размерностей позволяет приближённо оценить параметры, где существенен тот или иной процесс, даже тогда, когда неизвестна детальная теория процесса.

Нужно установить радиус кривизны пространства-времени, при котором существенны следующие явления: тяготение, кванты, релятивизм. Роль тяготения описывается гравитационной постоянной G, роль квантов - постоянной Планка h, роль релятивизма - скоростью света c. Нас интересует радиус кривизны, величина, имеющая размерность длины, при которой существенны все три рода явлений. По теории размерностей получим:

r_n = Ö(Gh/c³) = 10^-33 см.

Это расстояние называют планковской длиной.

Можно вычислить, в какой момент времени после начала расширения Вселенной радиус кривизны был равен r_n и какая была при этом плотность физической материи.

t_n = r_n /c = 10^-43 c.

r_n = 10⁹³ г/см³.

Для состояния вещества с такими характеристиками нужно строить новую теорию. Общие законы физики надёжно проверены при плотностях, не превышающих ядерную r_яд = 10¹⁴ г/см³.

В ранню эпоху, называемую планковской, должны возникать кванты гравитационного поля - гравитоны.

Первые мгновения существования Вселенной очень загадочны. Возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако, спустя 10^-44 секунды после начала расширения ОТО становится применимой.

27.3 Першыя хвiлiны iснаваньня Сусвету. Паходжанне хiмiчных элементаў.

Сверхплотное состояние Вселенной длилось недолго, но оно сыграло решающую роль в последующем развитии. При огромных значениях температуры и плотности вещества начались интенсивные процессы взаимопревращения частиц и квантов излучения. На первых порах в одинаковых количествах рождались частицы и соответствующие им античастицы из фотонов высокой энергии. В условиях сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были бы тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц.

На ранних этапах развития Вселенной могли возникать чрезвычайно короткоживущие и очень массивные гипотетические частицы. С падением температуры и плотности (возраст достиг 0,01 сек, температура 10¹¹К) стали возникать менее массивные частицы, в то время как более массивные “вымирали” за счёт аннигиляции или распада.

Вымирание частиц происходило не совсем одинаково, так что античастицы практически все исчезли, а ничтожная избыточная доля протонов и нейтронов осталась. В результате этого наблюдаемый мир оказался устроенным из вещества, а не из антивещества, хотя где-то во Вселенной могут быть и области из антивещества.

Без едва заметной ассиметрии свойств частиц и античастиц мир вообще оказался бы лишённым вещества.

Образованием нуклонов (протонов и нейтронов) завершается эра адронов эволюции Вселенной (адроны - частицы, подверженные сильным взаимодействиям: протоны, нейтроны, мезоны и т.д.). После адронной эры наступает эра лептонов, когда среда состоит преимущественно из положительных и отрицательных мюонов, нейтрино и антинейтрино, позитронов и электронов. Нуклоны встречаются редко. По мере дальнейшего расширения Вселенной происходит аннигиляция мюонов, электронов и позитронов. Затем прекращается взаимодействие нейтрино с веществом и к моменту 0,2 секунды после сингулярности, происходит отрыв нейтрино.

Примерно через 10 секунд после сингулярности температура достигает значения около 10¹⁰К и начинается эра излучения. На этом этапе по численности преобладают фотоны, всё ещё сильно взаимодействующие с веществом, а также нейтрино.

Огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя незначительное количество электронов, достаточное, однако, чтобы объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

Через 3 минуты после Большого Взрыва начинаются первые процессы нуклеосинтеза. Некоторая часть протонов успевает соединиться с нейтронами и образовать ядра гелия. В них перешло около 10% общего числа протонов. Эра излучения заканчивается переходом плазмы из ионизованного состояния в нейтральное, уменьшением непрозрачности вещества и “отрывом” излучения. Через минуту почти всё вещество Вселенной состояло из ядер водорода и гелия, находившихся в такой же пропорции, которую мы наблюдаем сегодня. Начиная с этого момента расширение первичного огненного шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700 000 лет электроны и протоны не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения - возникло реликтовое фоновое излучение.

Через миллион лет после начала расширения начинается эра вещества, когда из горячей водородно-гелиевой плазмы с малой примесью других ядер стало развиваться многообразие нынешнего мира.

После того, как вещество стало прозрачно для электро-магнитного излучения, в действие вступило тяготение, оно стало преобладать над всеми другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества, составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало галактики, скопления, звёзды и планеты.

В этой картине остаётся много нерешённых вопросов. Образовались ли галактики раньше первого поколения звёзд или наоборот? Почему вещество сосредоточилось в дискретных образованиях - звёздах, галактиках, скоплениях, тогда как Вселенная как целое разлеталась в разные стороны?

Неоднородности во Вселенной, из которых впоследствии образовались все структурные образования Вселенной зародились в виде ничтожных флуктуаций, а затем усилились в эпоху, когда ионизованный газ во Вселенной стал превращаться в нейтральный, т.е. когда излучение оторвалось от вещества и стало реликтовым. Такое усиление может привести к возникновению заметных флуктуаций, из которых впоследствии стали образовываться галактики.

При образовании крупных структур Вселенной существенную роль могли играть нейтрино, если их масса покоя отлична от нуля. Через несколько сотен лет после начала расширения скорость нейтрино, обладающих массой, должна стать заметно меньше световой. Начиная с некоторого момента, крупные сгущения нейтрино уже не рассасываются и дают начало крупным структурным образованиям Вселенной - скоплениям и сверхскоплениям галактик. Сами галактики образуются из обычного вещества, а нейтрино, если они обладают заметной массой, выступают в роли центров притяжения для гигантских сгущений масс, являясь источником скрытой массы скоплений галактик.

В 1978 году М. Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом “эпидемии” образования массивных звёзд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд лет. Продолжительность жизни таких звёзд не могла превышать 1 млрд лет. Многие из них взорвались как сверхновые и выбросили в пространство тяжёлые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твёрдого вещества, образовав облака межзвёздной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звёзд, могла испускать инфракрасное излучение, которое наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение. Если эта гипотеза верна, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звёзд первого, догалактического, поколения и в настоящее время может находиться в массивных тёмных гало, окружающих яркие галактики.

Дата добавления: 2013-12-12