Астрогалактика

Через тернии к звездам!

Общая астрономия. Внегалактическая астрономия. Метагалактика


Карта сайта

            
Астрономия
древнейшая из наук
 Античная астрономия
 Хронология астрономии
 Современная астрономия
Основы астрономии
 Начала астрономии
 Время и небесная сфера
 Созвездия
 Движение небесных тел
 Астроприборы
 Астрофизика
 Обзоры астрооборудования
 Астрономические наблюдения

Общая астрономия
 Солнечная система
 Звезды
 Наша Галактика
 Внегалактическая астрономия
 Внеземные цивилизации
 Астрономы мира и знаменательные даты

Дополнительно
 Форумы Astrogalaxy.ru
 Астрономия для детей
 Планетарии России
 Это интересно
 Новости астрономии
 О проекте






Общая астрономия. Внегалактическая астрономия. Метагалактика

Многолетние исследования Метагалактики выявили два основных свойства, два космологических постулата:

Однородная Вселенная. — Метагалактика однородна в больших объемах,






Изотропная Вселенная. — Метагалактика изотропна в больших объемах. Изотропность Метагалактики доказывается наблюдениями реликтового излучения. Реликтовое излучение одинаково по всем направлениям.





Альберт Эйнштейн положил в основу общей теории относительности факт пропорциональности гравитационной массы (массы, создающей поле тяготения этого тела) его инертной массе, то есть мере сопротивления внешней силе. Второй аксиомой был принцип постоянства скорости света. Уравнения теории относительности Эйнштейна меняли представления о самом обычном – о пространстве и времени. Ньютоновская модель Вселенной содержала в себе три основных постулата:

  • стационарность, неизменность Вселенной во времени,
  • однородность и изотропность, отсутствие привилегированных направлений,
  • евклидовость пространства.


Наличие массы в данной точке пространства согласно Эйнштейну вызывает искривление самого пространства. Эйнштейн искал статические решения для Вселенной. При обобщении ньютоновской теории всемирного тяготения, приведя ее в соответствие с принципом относительности, Эйнштейн приходит к выводу, что геометрия мира неевклидова. Присутствие тел большой массы – звезд, галактик – искривляет пространство.


Однако Эйнштейн оставляет постулат о стационарности и неизменности Вселенной, введя в свои уравнения, которые показывают, как метрика пространства зависит от распределения и движения масс, дополнительный космологический член. Одним из фактов, противоречащих теории стационарной Вселенной, был парадокс Ольберса. Если Вселенная бесконечна и вечна, то в ней содержится бесконечное количество звезд. Куда бы мы ни посмотрели, наш взгляд непременно уперся бы в звезду. Пусть отдельные звезды будут неразличимы, но небо должно было бы сиять сплошным заревом. И, тем не менее, ночью небо темное. Для решения этого парадокса требовалась модель расширяющейся Вселенной, и в 1922 году молодой советский ученый Александр Фридман создает ее. Он предлагает математический расчет изменения плотности материи для однородной и изотропной Вселенной, начиная с состояния с очень высокой плотностью – так называемого сингулярного состояния вещества (по современным оценкам эта плотность равна 5•1096кг/м3). Решив уравнения Эйнштейна, Фридман показал, что наш мир не может быть стационарным: Вселенная либо расширяется, либо сжимается. Справедливость общей теории относительности доказывается прежде всего верным объяснением смещения перигелия Меркурия. Согласно ОТО Солнце искривляет пространство-время, в результате чего перигелий Меркурия смещается за столетие на 43,03". Это прекрасно согласуется с наблюдениями, которые дают (42,56±0,94)". Другими экспериментальными подтверждениями справедливости общей теории относительности являются отклонение луча света, проходящего вблизи Солнца или других массивных тел (гравитационные линзы), а также изменение частоты света в гравитационном поле.

В соответствии с решениями Фридмана уравнений Эйнштейна 10–13 миллиардов лет назад, в начальный момент времени, радиус Вселенной был равен нулю. В нулевом объеме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся ее масса. Плотность энергии бесконечна, бесконечна и плотность вещества. Подобное состояние называется сингулярным. В 1946 году Георгий Гамов и его коллеги разработали физическую теорию начального этапа расширения Вселенной, объясняющую наличие в ней химических элементов синтезом при очень высоких температуре и давлении. Поэтому начало расширения по теории Гамова назвали «Большим Взрывом». Соавторами Гамова были Р. Альфер и Г. Бете. Вселенная расширяется из состояния с бесконечной плотностью. В сингулярном состоянии обычные законы физики неприменимы: теория, объединяющая теорию относительности и квантовую физику, до сих пор не построена. По-видимому, все фундаментальные взаимодействия при столь высоких энергиях неотличимы друг от друга.


Эволюция Вселенной.

По теоретическим расчетам, в течение первых 10-36 с, когда температура Вселенной была больше 1028 К, энергия в единице объема оставалась постоянной, а Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, но само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной. Из современных теорий квантовой физики следует, что в это время сильное ядерное взаимодействие отделилось от электромагнитного и слабого. Выделившаяся в результате подобного нарушения симметрии энергия и явилась причиной катастрофического расширения Вселенной, которая за крошечный промежуток времени в 10–33 с увеличилась от размеров атома до размеров Солнечной системы. В это же время появились привычные нам элементарные частицы и чуть меньшее из-за спонтанного нарушения симметрии количество античастиц. Вещество и излучение все еще находилось в термодинамическом равновесии, а «горячие» фотоны полностью определяли характер излучения Вселенной. Эта эпоха называется радиационной стадией эволюции.


Реакции в ранней Вселенной. При температуре 5•1012 К закончилась стадия рекомбинации: почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в фотоны; остались только те, для которых не хватило античастиц. Как показали наблюдения, на один барион приходится почти миллиард фотонов – продуктов аннигиляции. Значит, первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составляет одну миллиардную от их числа. Именно из этого «избыточного» вещества и состоит в основном вещество наблюдаемой Вселенной.

Спустя несколько секунд после Большого Взрыва в горячей и плотной Вселенной началась стадия первичного нуклеосинтеза, продолжавшаяся около трех минут. В результате термоядерных реакций образовывались ядра тяжелого водорода и гелия. Затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной. Предсказанные количества водорода (75%) и гелия (25%) по теории первичного нуклеосинтеза подтверждаются распространенностью легких элементов в космосе в настоящее время.

Примерно через миллион лет после взрыва равновесие между веществом и излучением нарушилось, из свободных протонов и электронов начали образовываться атомы, а излучение стало проходить через вещество, как через прозрачную среду. Именно это излучение назвали реликтовым, его температура была около 3000 К. Гипотезу о существовании такого излучения высказал Георгий Гамов. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Реликтовое фоновое излучение открыли в 1964 году американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Оно оказалось в высокой степени изотропным, одинаковым по всем направлениям и своим существованием подтверждает модель горячей расширяющейся Вселенной.


Модель молодой Вселенной. После рекомбинации вещество начало эволюционировать самостоятельно, из-за вариаций плотности вещества, образовавшихся в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга во время инфляционной стадии, появились протогалактики. Там, где плотность была чуть больше средней, образовались очаги притяжения, области с пониженной плотностью делались все разреженнее, так как вещество уходило из них в более плотные области. Именно так практически однородная среда разделилась на отдельные галактики и их скопления, а спустя сотни миллионов лет появились первые звезды.

Другой причиной образования галактик могли быть гипотетические космические струны – сверхтонкие (толщиной 10–30см) и сверхтяжелые (1022 г/см) объекты, протягивающиеся через всю Вселенную и сохранившиеся со времен Большого Взрыва. Гравитационное взаимодействие космических струн могло способствовать формированию звездных систем. В 1992 году была открыта анизотропия реликтового излучения – незначительное отклонение температуры (на 30 мкК) от среднего значения 2,725 К в различных направлениях на небе. Открытие анизотропии реликтового излучения также подтверждает теорию Горячей Вселенной и Большого Взрыва.


Распределение температуры реликтового излучения. Хорошо заметен дипольная составляющая, вызванная эффектом Доплера. Светлые области отличаются от темных всего на 0,001 К. До сих пор остается открытым вопрос: что существовало до начала расширения Вселенной? Такая же Вселенная, как и наша? Или совершенно другой мир с иными законами природы? Решать эти проблемы нам предстоит в XXI веке.





Источник информации: "Открытая астрономия 2.5" "ООО "ФИЗИКОН"

Главная страница раздела

Copyright © 2004 - 2016, Проект 'Астрогалактика' • выпущен 12.07.2004