Скопления галактик и загадка темной (скрытой) материи.

Развитие внегалактической астрономии в XXI в. привело еще к одному важному открытию. Оказалось, что большинство галактик входит в группировки, которые насчитывают от нескольких галактик (группа галактик) до сотен и тысяч галактик (скопление галактик) и даже облака скоплений (сверхскопления). Наблюдаются и одиночные галактики, но они относительно редки (не более 10%). Другими словами, если галактики — это «острова Вселенной», то они, как правило, объединены в архипелаги. Размеры галактик тоже различны. Есть галактики-карлики в несколько десятков световых лет и галактики-великаны с поперечником до 18 млн. световых лет.

Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях примерно в 10—20 раз больше, чем размеры крупнейших галактик. Расстояния между скоплениями галактик составляют десятки мега-парсек. Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звезды во внутригалактическом пространстве (расстояния между звездами в среднем в 20 млн. раз больше их диаметра).

Наиболее исследована Местная группа галактик, в которой самыми яркими являются наша Галактика и туманность Андромеды. Вокруг них, в свою очередь, располагаются еще целые семейства галактик. Так, в семейство нашей Галактики входят 14 карликовых эллиптических галактик, несколько внегалактических шаровых скоплений и ряд так называемых неправильных галактик, среди которых крупнейшие Магеллановы Облака (Большое и Малое). Несколько меньшее семейство у туманности Андромеды (одна спиральная, две эллиптические и несколько карликовых).

Скопления галактик представляют собой грандиозные целостные системы, элементы которых (отдельные галактики) взаимодействуют между собой. Большие галактики, передвигаясь в пространстве, своим тяготением увлекают за собой соседние галактики, рассеивают их, увлекают за собой межгалактический газ, хотя и сами при этом испытывают торможение. Само скопление как целое, как «гравитационная яма», по-видимому, может «всасывать» в себя межзвездный газ из межгалактической среды. Как недавно выяснилось, некоторые галактические скопления содержат весьма значительное количество горячего (10⁷—10⁸ К) ионизированного газа, который является мощным источником рентгеновского излучения. В ряде скоплений масса такого газа сравнима с суммарной массой галактик.

Галактики могут сталкиваться, при этом массивные галактики обычно выступают в роли «галактических каннибалов» — захватывают звезды проходящих мимо них галактик. Так, через 3 млрд. лет ожидается поглощение нашей Галактикой приближающегося к ней Большого Магелланового Облака. А примерно через 5 млрд. лет, когда погаснет Солнце, наша Галактика столкнется с приближающейся к нам Туманностью Андромеды, содержащей около 300 млрд. звезд. Последствия такого столкновения трудно предсказать. В любом случае гравитационные силы будут вырывать звезды из взаимодействующих галактик, перераспределять их между собой, искажать формы звезд. Скопления галактик могут еще и распадаться; такой распад также длится миллиарды лет.

Со скоплениями галактик связана одна загадка, которая имеет фундаментальное значение для космологии, всей современной астрономической картины мира. Еще в 1930-е гг. был установлен «вириальный парадокс»: для многих скоплений масса (М_В), определенная по скоростям собственного движения в них галактик (согласно теореме вириала, доказанной еще в 1870 г. Р.Клаузиусом), оказывается заметно больше массы, определенной по общей светимости галактик (М_С): М_В > М_С. Это значит, что масса скоплений галактик оказывается некоторой загадкой: в скоплениях галактик помимо вещества самих галактик должна существовать еще значительная масса темной, или, как говорят, скрытой, материи. Масса такой скрытой материи, по новейшим оценкам, может доходить до 90% массы всего скопления!

Природа скрытой массы объясняется по-разному. Астрономы считают, что «темное вещество» — это прежде всего множество невидимых нами темных холодных звезд и других компактных звездных объектов, включая нейтронные звезды, черные дыры; планетных систем (в которых основная масса сосредоточена в темных планетах типа Юпитера); потоков нейтрино, обладающих массой покоя, и др. Физики в большей мере склоняются к поиску (дополняющих астрономический список) новых элементарных частиц (аксионов, которыми объясняются некоторые свойства сильного взаимодействия; бозонов Хиггса; частиц, образовавшихся в начальные моменты нашей Вселенной, и др.).

В связи с загадкой скрытой материи особое значение имеют полученные (в начале 2003 г.) данные рентгеновской астрономии о том, что Вселенная пронизана сетью раскаленного газа, нити которого протянулись на миллионы световых лет, проходя через скопления галактик, в том числе и через нашу Галактику. По предварительным оценкам, масса этого газа может превышать в пять раз суммарную массу всех звезд во Вселенной. Похоже, что загадка скрытой массы может быть разрешена без радикального изменения современных фундаментальных теорий.

 

Понятие Метагалактики. Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику — доступную наблюдениям часть Вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактики — ее постоянное расширение, о чем свидетельствует «разлет» скоплений галактик. Доказательством того, что скопления галактик удаляются друг от друга, являются «красное смещение» в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое внегалактическое излучение, соответствующее температуре около 2,7 К).

Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следствие: в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными и разреженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаков смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, испытывавшее постоянное расширение.

Другое важное свойство Метагалактики — равномерное распределение в ней вещества (основная масса которого сосредоточена в звездах). В современном состоянии Метагалактика — однородна в масштабе порядка 200 Мпк. Маловероятно, что она была такой в прошлом. В самом начале расширения Метагалактики неоднородность материи вполне могла существовать.

Представление об однородности Метагалактики еще раз доказывает, что Земля не занимает во Вселенной сколько-нибудь привилегированного положения. Конечно, Земля, Солнце и Галактика кажутся нам, людям, важными и исключительными, но для Вселенной в целом они такими не являются.

Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю? Многие ученые так и считают, утверждая единственность нашей расширяющейся Метагалактики — Вселенной. Но все чаще высказывается мысль о множественности «метагалактик», множественности вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, пространства и времени, свой тип нестационарности, организации и др.

Одна из теоретических посылок для такого вывода связана с тем, что уравнения ОТО и квантовой физики не дают ответа на вопрос о начальных условиях эволюции нашей Вселенной. Здесь возможны два варианта:

+ первичное сингулярное состояние вещества из множества потенциальных физических возможностей реализовалось в одну реальную — нашу Метагалактику;

+ во Вселенной осуществляется все многообразие физических условий, явлений и движений, допускаемых основными физическими теориями.

Таким образом, по нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны, но в космологических масштабах они ничтожно малы. Галактики разбросаны по Вселенной более или менее беспорядочно, однако они обычно собраны в группы. Подобные группы галактик — «атомы» космологии. Космология рассматривает поведение Вселенной лишь в масштабах такого или более высокого порядков.

 

Вселенная в целом

Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки — космологии, имеющей древнюю историю. Истоки ее уходят в античность. Космология долгое время находилась под значительным влиянием религиозного мировоззрения, будучи не столько предметом познания, сколько делом веры. Начиная с XIX в. космологические проблемы — не дело веры, а предмет научного познания. Современная космология — это сложная, комплексная и быстро развивающаяся система естественно-научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной.

Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит, динамику космической материи в масштабах Вселенной, то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения, а современной космологии — релятивистская теория тяготения. Поэтому современную космологию называют релятивистской.

Согласно общей теории относительности, распределение и движение материи изменяют геометрические свойства пространства-времени и в то же время сами зависят от них; гравитационное поле проявляется как искривление пространства-времени (чем значительнее кривизна пространства-времени, тем сильнее гравитационное поле).

Первым релятивистскую космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. В соответствии с методологическими установками классической астрономии о стационарности Вселенной, он исходил из предположения о неизменности свойств Вселенной как целого во времени (радиус кривизны пространства он считал постоянным). Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Как и на поверхности сферы, в нем можно совершать «кругосветные» путешествия: обитатель такой вселенной мог бы, послав в каком-либо направлении (световой или радио) сигнал, со временем обнаружить, что этот сигнал вернулся к нему с противоположной стороны, обойдя всю Вселенную.

Как и многие другие абстрактные понятия современной физики и астрономии, идея замкнутой, конечной, но неограниченной вселенной трудно представима в наглядных образах. Поэтому часто спрашивают, что же находится «снаружи» конечной вселенной. Дело в том, что этот вопрос не имеет смысла для трехмерных существ, т.е. в пространственно-временной метрике нашего мира. Как не имеет смысла аналогичный вопрос, что находится «вне» поверхности сферы, для плоских существ, вынужденных постоянно жить на сферической поверхности. В такой вселенной просто нет понятия «снаружи». Ведь различение «снаружи» и «внутри» предполагает некоторую границу, которой на самом деле нет, и каждая точка в ней эквивалентна любой другой – ни края, ни центра здесь нет.

 

Нестационарная релятивистская космология. С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик-теоретик А.А.Фридман. Именно Фридман, опубликовавший свою работу в 1922 г., впервые сделал из общей теории относительности космологические выводы, имеющие поистине революционное значение: он заложил основы нестационарной релятивистской космологии.

Фридман показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной и должна либо расширяться, либо сжиматься. Поэтому теоретическая модель Эйнштейна является лишь частным решением гравитационных уравнений для Вселенной в целом, а в общем случае решения зависят от времени. Кроме того, они не могут быть однозначными и не могут дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности. Встретив решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика.

В основе нестационарной релятивистской космологии лежат следующие положения и принципы. Во-первых, это уравнения общей теории относительности, связывающие кривизну пространства-времени с плотностью массы (энергии). Во-вторых, космологический постулат (представление однородности изотропности Вселенной: во Вселенной нет выделенных точек и направлений; все точки и направления равноправны). В-третьих, положение о том, что выбор той или иной модели определяется силами тяготения и начальными условиями (плотностью массы).

Первая модель соответствует положению, когда средняя плотность вещества во Вселенной ниже критической (ρ < ρ_кр). В таком случае кривизна пространства отрицательная, скорость расширения не уменьшается, а Вселенная будет расширяться в бесконечность неограниченно долго (гиперболическое расширение).

Вторая модель характеризует ситуацию, когда средняя плотность равна критической (ρ = ρ_кр), а кривизна в пределе стремится к нулю. Это случай неограниченного параболического расширения, которое сопровождается постепенным уменьшением скорости расширения. И в первой и во второй модели расстояния между галактиками со временем неограниченно возрастают. И, наконец, третья модель соответствует положению, когда средняя плотность вещества выше критической (ρ > ρ_кр), а кривизна изменяется, отрицательная сменяется положительной. Это осциллирующая, пульсирующая модель, в которой период расширения неизбежно сменяется периодом сжатия.

Во всех моделях предусмотрено существование начального состояния эволюции – точки сингулярности О. В третьей модели две точки сингулярности – начальная сингулярность О и сингулярность O₁, завершающая цикл эволюции Вселенной (t₀ – современный период времени жизни Вселенной). Состояние вещества в момент сингулярности (исходная плотность стремится к бесконечности, радиус и время стремятся к нулю) и определяет взрывное расширение Вселенной.

Спустя лишь несколько лет после ее создания идеи нестационарной релятивистской космологии получили эмпирическое подтверждение. В 1929 г. американский астроном Э.Хаббл показал, что, судя по «красному смещению» спектров, далекие галактики удаляются от нас; и чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Отсюда следовал однозначный вывод – Вселенная находится в состоянии расширения. Это открытие подтвердило идеи Фридмана и вместе с ними коренным образом изменило основания космологии.

 

Возраст Вселенной. В противовес фридмановской космологии начали разрабатываться альтернативные космологические модели, опиравшиеся на нерелятивистские теоретические основы (Ф.Хойл, Г.Бонди, Т.Голд и др.), допускавшие изменение мировых констант, рождение вещества из «ничего» и др. Эти теории не выдержали испытания временем.

Долгое время вокруг идей нестационарной космологии кипели страсти. Этому способствовали, с одной стороны, высказывания некоторых космологов (Ж.Леметра, Дж.Джинса, А.Эддингтона и др.) о том, что нестационарная релятивистская космология подтверждает религиозные представления о творении мира Богом, о крушении материализма, торжестве объективного идеализма и др. С другой стороны, материалисты критически отнеслись к идее конечности Вселенной во времени и пространстве, возникновения Вселенной в какой-то определенный момент времени, пусть даже и очень далекий от нас, и др.

Процесс утверждения и обоснования понятий и представлений нестационарной релятивистской космологии длился достаточно долго, вплоть до открытия реликтового излучения в начале 1960-х гг.

В результате было выяснено, что критическая плотность вещества во Вселенной (ρ_кр) определяется величиной 10^-29 г/см³. А средняя плотность (ρ), по современным представлениям, оценивается в 3 10^-31 г/ см³. Иначе говоря, современные оценки свидетельствуют о том, что Вселенная расширяется по первой, гиперболической модели бесконечного монотонного расширения. Другими словами, Вселенная будет расширяться бесконечно долго.

Одним из наиболее важных и интересных результатов космологических исследований в XX в. является определение возраста Вселенной. Возраст Вселенной легко определяется через знание величины постоянной Хаббла (H). Современная оценка этой постоянной от 50 до 100 км/ (с-Мпк). Обратная величина t=1/H имеет размерность времени и означает приблизительный возраст нашей Вселенной. Он составляет от 10 до 20 млрд. лет. При выборе Н = 75 км/(с Мпк) возраст Вселенной составляет примерно 13 млрд. лет. Именно эта величина возраста Вселенной в настоящее время принимается как наиболее предпочтительная.

Космологический горизонт. Конечность времени, прошедшего с момента сингулярности, приводит к существованию космологического горизонта — границы, отделяющей область пространства, которую в данный момент может видеть наблюдатель, от области, которая для него пока принципиально ненаблюдаема.

Существование космологического горизонта связано с расширением Вселенной. За этой границей, являющейся горизонтом наблюдений, объекты принципиально ненаблюдаемы в момент t': свет от них еще не успел дойти до наблюдателя, даже если он вышел в момент начала расширения Вселенной. Вблизи горизонта мы видим вещество в далеком прошлом, когда плотность его была гораздо больше сегодняшней.

Строго говоря, космологический горизонт ограничен еще одним фактором, связанным со свойствами электромагнитного поля. На ранних стадиях развития Вселенной при большой плотности вещества фотоны не могли свободно распространяться из-за поглощения и рассеяния. До Земли в неискаженном виде дошло только то излучение, которое возникло в эпоху, когда Вселенная стала практически прозрачной для излучения, и не раньше. Эта эпоха связана с процессом рекомбинации водорода, который протекал через 1 млн. лет после начала расширения Вселенной и. соответствовал плотности вещества ρ = 10^-20 г/см³. Но 1 млн. лет — весьма незначительный период по сравнению с 15—20 млрд. лет. Поэтому горизонт видимости во Вселенной практически определяется началом ее расширения.

 

Эволюция Вселенной

Выдающимися достижениями на этом пути было создание теории горячей Вселенной, или Большого взрыва, и разработка принципов и понятий инфляционной космологии.

Качественно новым и глубоким шагом в изучении начальных состояний Вселенной была разработка модели горячей Вселенной. Ее основы были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. Гамова и его сотрудников в 1948—1956 гг. В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной — в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения — микроволнового фонового излучения с температурой около 2,7 К. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной.

Важной вехой на пути разработки квантовой теории тяготения является создание инфляционной космологии. Инфляционная космология возникла как теория, объясняющая условия и причины Большого взрыва, сложившиеся в первые мгновения Вселенной. В ее основе — представление о существовании (компенсирующей гравитационное притяжение) силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла спонтанно разорвать некое начальное состояние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой теории начальным состоянием Вселенной является физический вакуум.

Основания инфляционной космологии были разработаны в 1980-е гг. группой отечественных и зарубежных физиков и космологов (А.А. Старобинский, А. Гут, А.Д. Линде и др.). Инфляционная космология существует в виде различных моделей, в которых так или иначе объединены принципы и понятия теорий струн, суперсимметрии, супергравитации, фазовых переходов, топологии. Все они обобщают нестационарную релятивистскую космологию.

 

Рождение Вселенной.Акт первый: инфляция физического вакуума. Базовым понятием инфляционной космологии является заимствованное в квантовой теории поля понятие физического вакуума. Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического вакуума за счет фазового перехода первого рода.

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантовых полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц. Физический вакуум – это не просто отсутствие поля, а одно из его возможных состояний. Он обладает ненулевым значением плотности энергии и давления, поэтому в нем происходят виртуальные процессы (порождения и аннигиляции частиц и др.). Вакуумное состояние может быть разнообразным, существует непрерывный спектр вакуумных состояний. Вакуум описывается скалярными полями, для которых характерны квантовые флуктуации. Сингулярность – это и есть квантовая флуктуация вакуума. Физический вакуум – форма материи, характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления — отрицательные.

Возбужденное состояние физического вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим, своими фундаментальными постоянными), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте (за каждые 10^-34 с диаметр Вселенной увеличивался в два раза). Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. В период квантовой космологии, т. е. с 10^-43 с по 10^-34 с произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

Из принципов инфляционной космологии следует, в частности, возможность вечного раздувания пространственно-временной «пены», постоянных флуктуаций физического вакуума. А это, в свою очередь, ведет к идее множественности вселенных и понятию Мегавселенной. В такой Мегавселенной большие вселенные рождают маленькие вселенные, которые, в свою очередь, рождают еще меньшие, и т.д. Каждая из них имеет свои собственные физические законы, характеристики пространства-времени, фундаментальные взаимодействия, элементарные частицы и др. Наша Вселенная — это одна из многих таких вселенных.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10^-34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной — это единственный след, который сохранился до настоящего времени от периода инфляции.

В фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10²⁷ К и энергии 10¹⁴ ГэВ. А это и есть Большой взрыв. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизоваться» все ее фундаментальные взаимодействия, наблюдаемые сегодня.

Инфляционная модель Большого взрыва объясняет также крупномасштабную однородность и изотропность Вселенной, мельчайшую анизотропию реликтового излучения, образование структур галактик и их скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности изменения пространственной кривизны (современное ее значение близко к нулю, как и в момент Большого взрыва) и др.

 

Рождение Вселенной. Акт второй: Большой взрыв и его последствия. Большой взрыв связан с так называемой эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10^-34 с, а температура около 10²⁷ К. Выделение громадной энергии приводит к порождению из физического вакуума множества разнообразных аннигилирующих виртуальных частиц. Космос заполняется смесью из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных. Важнейшими ее составляющими были, вероятно, сверхмассивные частицы — переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и Y-частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

Как показал А.Д. Сахаров (1967), при падении Т < 10²⁷ К Х- и Y-бозоны уже не могут эффективно рождаться, задерживается и процесс аннигиляции; начинает преобладать процесс распада. Но распад частиц и античастиц идет по-разному (с нарушением барионного числа). В результате появляется небольшой избыток частиц по отношению к античастицам. По оценкам, эта асимметрия характеризуется отношением (10⁹ + 1): 10⁹, т.е. на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль.

По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы заполнен только полем, но не веществом. В результате аннигиляции возникло мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе значительную часть энергии Вселенной.

Вплоть до 10^-12 с после Большого взрыва (рис. 4) температура была высока (Т > 10¹⁵ К) и особенности материи во Вселенной резко отличались от ее современного состояния: адроны еще не образовались; не различались слабое и электромагнитное взаимодействия (электроны, мюоны и нейтрино не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Z-частиц); кварки и лептоны еще существенно не различаются, не обладают массой покоя и др.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10¹⁵ К вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. В этот момент (10^-12 с) нарушается калибровочная симметрия и электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W- и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц – электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы.

 

 

Следующий фазовый переход происходит при Т ≈ 10¹³ К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три), и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы). С этого момента (10^-5 с) открылся прямой путь для ядерных реакций, прежде всего синтеза гелия.

При Т ≈ 2 10¹⁰ К и t ≈ 0,2 с электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной, сохранившись до наших дней, только их энергия уменьшается из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтрино должна оказаться около 2 К.

 

От первых секунд Вселенной до образования звезд и галактик. Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10¹⁰ К. При такой высокой температуре сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами. Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии еще минуты температура упала на два порядка, а спустя еще несколько минут стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий (буквально несколько минут) промежуток времени протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра,

В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве и по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода (протонов).

После стадии термоядерных реакций температура вещества была еще настолько высока, что оно находилось в состоянии плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (t° ≈ 4000 К), когда ядра присоединяли электроны и превращались в нейтральные атомы. Первыми образовались атомы гелия и водорода. Как полагают, из этих первичных водорода и гелия, находившихся в газообразном состоянии, сформировались первые звезды и галактики.

Таким образом, согласно современным космологическим представлениям, атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образовании Земли. Атомы – это «ископаемые» космоса. Первооснову космического вещества составляли водород и гелий; элементов среднего и тяжелого веса космическое вещество практически не содержало. Такие элементы – это «зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд.

Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из зарождавшихся неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки – протогалактические сгущения. Постепенно они фрагментировались, в них образовывались меньшие сгустки вещества. Из таких сгустков разной массы, имевших определенный вращательный момент, постепенно сформировались звезды и галактики. Расширение Вселенной определило разлет галактик, которые сами практически не расширяются.

Ядро звезды представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий, гелия – в углерод, а затем и обрзованию все более сложных ядер. По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура представляется слоями различных химических элементов, каждый из которых отражает различные стадии ядерного синтеза. Так на протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из смеси первичного водорода и гелия в хранилище тяжелых химических элементов. А прекращая свою «жизнь», звезда может разбросать тяжелые элементы по просторам Галактики. Со временем они могут войти в состав того межзвездного газопылевого облака, из которого образуются звезды нового поколения со своими планетными системами.

 

Сценарии будущего Вселенной. Любопытно знать не только далекое прошлое Вселенной, но и ее далекое будущее. Тем более что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое. Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различается в «открытых» и «закрытой» ее моделях.

«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 1052 т можно предположить, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд лет вновь вернется в сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет. Таким образом, Вселенная может быть представлена как грандиозная осциллирующая система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики), ее законы могут изменяться. Например, могут изменяться фундаментальные физические константы.

Совершенно иначе предстает будущее Вселенной в «открытых» в бесконечность космологических моделях, которые, по сути, представляют собой сценарии «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с ними уже через 10¹⁴ лет многие звезды остынут, что достаточно быстро (через 10¹⁵ лет) приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 10¹⁹ лет большая часть звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в черные карлики. Центральные области галактик коллапсируют, образуя черные дыры. Таким образом галактики прекращают свое существование.

Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон действительно нестабилен и распадается через 10³¹ лет на γ-квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света с убывающей энергией и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся за 10⁹⁶ лет и через 10¹⁰⁰ лет во Вселенной останется лишь электронно-позитронная плазма ничтожной плотности.

Иначе разворачивается возможный сценарий будущего Вселенной в том случае, если протон стабилен. Тогда примерно через 10⁶⁵ лет любое твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 10¹⁵⁰⁰ лет любое вещество станет радиоактивным, и все жидкие капли (т.е. бывшие звезды) станут железными. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!

Что же дальше? Пройдет невообразимое число лет, которое можно выразить числом 10 10²⁶, пока такие железные капли не превратятся в «черные дыры». Эти, уже последние, «черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени 10⁶⁷ лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние — окончательная «смерть» Вселенной или ее возврат в исходную фазу — физический вакуум.

 

Антропный принцип. Одним из ярких проявлений глубокого взаимодействия естественного и социально-гуманитарного знания является сформулированный в современной космологии антропный принцип, заключающийся в том, что возникновение человечества, познающего субъекта были возможными в силу того, что крупномасштабные свойства нашей Вселенной, ее глубинные закономерности именно таковы, какими они являются; если бы они были иными, Вселенную просто некому было бы познавать. Этот вывод вытекает из того обстоятельства, что крупномасштабные свойства нашей Вселенной очень жестко связаны с величинами фундаментальных физических констант. Так, например, если постоянная тонкой структуры (α=е²/hс = 1/137, где е — заряд электрона, h — постоянная Планка, с — скорость света) была хотя бы на несколько процентов другой, то звезды типа нашего Солнца просто не могли бы образоваться, а значит, не было бы и человека, познающего Вселенную. Это касается многих мировых констант. Если бы они были хотя бы чуть-чуть другими, то невозможно было бы образование в эволюции материи ни атомов, ни звезд, ни Галактики, не сложились бы предпосылки и условия становления человека, цивилизации.

Величина большинства физических (характеризующих микромир) и космологических (характеризующих мегамир) констант имеет порядок 10⁴⁰ или 10^-40. Так, полученное из лабораторных измерений отношение электрических сил к гравитационным для двух заряженных элементарных частиц N₁=e²/Gm_p² ≈ 10⁴⁰, где m_p — масса протона. Но того же порядка оказывается не связанное с N₁ безразмерное отношение радиуса Вселенной к классическому радиусу электрона: N₂ = ct/e²/m_ec²) = 10⁴⁰ = N₁, где m_е — масса электрона, ct — радиус Вселенной в современную эпоху. Или безразмерная константа g = Gm²/hc = 10^-40, где m — масса покоя элементарной частицы (электрон, протон и др.). Обратная ей величина выражает массу звезды и равна g = hc/Gm² ≈ 10⁴⁰. И так далее. Мега- и микромиры, Вселенная и мир элементарных частиц глубоко внутренне связаны друг с другом.

Таким образом, антропный принцип указывает на глубокое внутреннее единство закономерностей эволюции Вселенной, возникновения органического мира и возникновения человека и общества. Он указывает на существование некоторых универсальных жестких связей, определяющих целостный и системный характер нашей Вселенной, ее эволюции, ее способность образовывать сложные самоорганизующиеся системы.

Следует иметь в виду и то, что скорее всего не всякая вселенная имеет такие фундаментальные законы, которые позволяют ей развиваться от простого к сложному, или, по крайней мере, эволюционировать длительное время. Вполне можно допустить, что в раздуваемом инфляцией «ансамбле вселенных» такая вселенная либо вовсе одна (наша Вселенная), либо их немного. «Коридор эволюции» оказался достаточно узким. По-видимому, далеко не в любой вселенной могут появиться условия для возникновения разума.

 

Методологические установки «неклассической» астрономии XX в.

+ Основа астрономического познания — признание объективного существования предмета астрономической науки (космических тел, их систем и Вселенной в целом) и их принципиальной познаваемости научно-рациональными средствами (причем не только структурного, но и исторического аспекта Вселенной).

+ Эмпирическая основа современной астрономии — наблюдение во всеволновом диапазоне. Теоретические исследования и экспериментальные попытки регистрации гравитационных волн открывают перспективы развития гравитационной астрономии. Сведения о космосе несут космические лучи и нейтрино. Важная особенность наблюдений во внеоптических диапазонах состоит в том, что они дают информацию, как правило, о нестационарных процессах во Вселенной.

+ Теоретическая основа современной астрономии — не только классическая механика, но и релятивистская и квантовая механика, квантовая теория поля.

+ Физическая реальность состоит из трех качественно несводимых друг к другу уровней: микро-, макро- и мегамиров. В системе астрономического познания выделяются две большие подсистемы: во-первых, астрономические науки, изучающие закономерности космических тел и процессов макроуровня (небесная механика, астродинамика, астрометрия и др.); во-вторых, астрономические науки, изучающие космические процессы на уровне мегамира (внегалактическая астрономия, релятивистская космология и др.). В системе астрономического познания большую роль играет исследование закономерностей микромира, связанных с процессами излучения звезд, ранних этапов эволюции Вселенной и т.п., поэтому современная астрономия пользуется и аппаратом микрофизики (квантовая механика, квантовая электродинамика, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромодинамика и др.).

+ Вопрос о единственности Вселенной как объекта космологии в современной астрономии решается отнюдь не однозначно. Существует мнение, что множество вселенных, порождаемых виртуальной «пеной» физического вакуума, могут сосуществовать друг с другом, а тезис об уникальности Вселенной должен рассматриваться как исторически относительный, определяемый уровнем практики. Такое представление вытекает из принципов инфляционной космологии.

+ Претерпевают значителъные изменения трактовки сущности пространства и времени. С одной стороны, современная астрономия опирается на общую теорию относительности, в соответствии с которой пространственно-временные характеристики перестают быть фундаментальными, не зависимыми ни от чего понятиями физики. Геометрические характеристики тел, их поведение и ход часов зависят прежде всего от гравитационных полей, которые в свою очередь создаются материальными телами. Это значит, что метрический и континуальный характер пространства-времени в нашей Вселенной относителен и возможны пространственно-временные организации вещества и поля с иными топологическими характеристиками. С другой стороны, инфляционная космология допускает на ранних стадиях эволюции Вселенной раздувание физического вакуума со скоростью, на много порядков превышающей скорость света; стадия раздувания физического вакуума, наполненного скалярным полем, осуществляется без присутствия вещества и излучения, которые к тому времени еще не образовались.

+ Современная астрономия теоретически и эмпирически обосновывает идею нестационарности Вселенной: мир астрономических объектов находится в состоянии постоянного качественного изменения, развития.

Общая идея о нестационарности Вселенной (пространственной и структурной) конкретизируется в следующих методологических установках:

во-первых, развитие космических тел рассматривается диалектически — со взрывами, скачками, перерывами постепенности; при этом учитывается многообразие путей развития, включая моменты нисходящего, регрессивного движения;

во-вторых, в качестве факторов, определяющих процесс развития космических тел, рассматриваются все четыре известных сейчас фундаментальных взаимодействия; прибегать ко всем четырем приходится в моделировании начальных стадий эволюции Вселенной, вблизи сингулярности; в масштабах Метагалактики решающая роль принадлежит силе тяготения;

в-третьих, признается необходимость доведения теоретического описания астрономического объекта и его эволюции до выделения его индивидуальных черт, поскольку астрономические объекты даже одного типа (например, звезды или даже звезды определенного класса) имеют заметные индивидуальные различия (масса, светимость, химический состав, температура и др.).

+ Современная астрономия исходит из установки о космогоническом смысле (прямом или опосредованном) любой астрономической проблемы.

+ В современной неклассической астрономии (так же, как и в классической) нет свободы выбора условий наблюдения. Современная астрономия осознает зависимость результата наблюдения от условий, в которых находится наблюдатель. Но в отличие от классической современная астрономия не во всех случаях допускает возможность пренебречь этой зависимостью или внести в нее поправку. В современной астрономии на эмпирическом уровне познания возрастает роль субъекта.

+ Резкое возрастание теоретической активности субъекта современного астрономического познания. Современная астрономия (как и «неклассическая» физика) отвергает классический идеал абсолютного описания, согласно которому в рамках одной теории можно достичь исчерпывающего описания закономерностей и свойств мира астрономических объектов. В системе теоретического описания структуры и эволюции Вселенной необходима не одна, а множество теоретических моделей.

+ Изменяемость структуры познавательной деятельности в астрономии — одна из новых методологических установок. Принципы и способы познавательной деятельности в развитии астрономии периодически изменяются.

---

Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 57; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!