Метагалактика

Общая астрономия. Далекая Вселенная. Метагалактика, Часть 1

Обсуждение фундаментальных вопросов Природы неизбежно сталкивается с трудностью определения объектов, подлежащих дискуссии. Эта сложность связана с тем, что всякое определение есть подведение под одно понятие другого более широкого. А фундаментальные науки (физика и астрономия) базируются, как правило, на самых широких понятиях и определить их, в общепринятом смысле слова, совсем не просто. Поэтому определение фундаментальных понятий сводится, обычно, к их описанию. Не исключением, а, пожалуй, классическим примером подобной ситуации является космология, базирующаяся на двух понятиях: Метагалактика и Вселенная. Весьма часто их отождествляют, что приводит к довольно нелепым (с точки зрения физика) утверждениям. Например: Вселенная возникла в некий момент i=0 «из ничего». На вопрос: что было при t<0 отвечают: либо ничего, либо сама постановка вопроса бессмысленна.

Несомненно, такого рода сентенции связаны с неопределенностью понятий Метагалактики и Вселенной и поэтому прежде, чем начать наш рассказ, необходимо их пояснить. Метагалактику определяют тремя согласующимися друг с другом методами. Первый - основан на экспериментах, из которых следует, что максимальные расстояния, которые можно наблюдать с помощью современной астрономической аппаратуры 15 млрд. св. лет. В пределах расстояния R сосредоточены все наблюдаемые звезды, галактики и скопления галактик. Второе определение связано с теоретическими представлениями о расширяющейся Вселенной Фридмана. Согласно этой теории максимальное наблюдаемое расстояние R также равно R. И, наконец, последний полуэмпирический метод основан на наблюдениях времени жизни старых звезд и галактик. Полагая, что Метагалактика расширяется со скоростью света c=300000 км/сек, получаем тот же самый характеристический размер R. Итак, Метагалактику можно определить как объем, заполненный звездами, галактиками и имеющий размеры R. Разумеется Солнечная система располагается внутри этого объема.

Что же такое Вселенная? По современным представлениям это все сущее, включая и Метагалактику. Более того, согласно некоторым теориям размеры Метагалактики составляют ничтожно малую часть Вселенной. С первого взгляда кажется, что мы запутались в определениях. Как можно говорить об объектах, находящихся вне наблюдаемого объема с радиусом R? Ответ весьма прост. Помимо приборов, в распоряжении человека есть также и его разум, позволяющий расширить горизонт эмпирических данных. Наши представления о Вселенной базируются на современных теоретических представлениях.

О фридмановской модели написано очень много книг и статей' и поэтому нецелесообразно останавливаться на ней подробно. Мы лишь кратко затронем ее некоторые аспекты, подчеркнув предварительно, что модель Фридмана, в " соответствии с нашей терминологией, следует использовать только для описания Метагалактики. Фридмановская модель основана на следующих постулатах:

Наиболее простыми (или известными) структурами, в которых выполняются два последних постулата — это трехмерное пространство Евклида и пространство двумерной сферы. Из уравнений, описывающих гравитацию и из этих постулатов Фридмана можно вывести зависимость радиуса Метагалактики R или масштабного фактора а (расстояния между двумя фиксированными точками) от времени t, прошедшего от начала ее расширения. Для сравнительно малых значений времени эта зависимость имеет простую форму: Фридмановская модель хорошо подтверждается наблюдательными данными. Изотропия Метагалактики подтверждается наблюдениями.

В послужном списке фридмановской модели имеется ряд важнейших количественных выводов, подтвержденных наблюдениями. Отметим два, на наш взгляд, наиболее существенных предсказания. 1. Существование, изотропия и температура реликтового излучения. Реликтовое излучение — результат эволюции излучения, возникшего в первые мгновения после начала расширения. В соответствии с теорией, оно изотропно и имеет температуру 3 °K. 2. Из теории следует, что в Метагалактике должны присутствовать ядра гелия примерно в количестве 25 % от полного количества вещества. Это предсказание также подтверждается наблюдениями.

И в заключение, отметим еще одно важное предсказание фридмановской модели. Если средняя плотность о вещества в нашу эпоху меньше или равна некой критической плотности вещества, то Метагалактика должна расширяться неограниченно. Такая Метагалактика называется открытой. Если плотность меньше, то расширение Метагалактики должно смениться ее сжатием и радиус Метагалактики должен в конечном счете обратиться в нуль. Такая Метагалактика называется закрытой. К сожалению, дать на основе наблюдений окончательный ответ о характере эволюции Метагалактики невозможно. Из многочисленных опытов следует, что средняя плотность у светящегося вещества в Метагалактике примерно в 30 раз меньше критической плотности. Отсюда, казалось бы, можно сделать вывод, что Метагалактика является открытой структурой. Однако многие физики и астрономы убеждены в существовании невидимых форм вещества (нейтрино или какие-нибудь иные нерегистрируемые приборами частицы), вносящих существенный вклад в суммарную плотность материи. Поэтому вопрос о структуре эволюции Метагалактики остается открытым.

Успехи фридмановской модели породили некое ощущение завершенности космологии. Метагалактика отождествлялась со Вселенной, и теорию Фридмана можно было считать ее законченной моделью. Практически все наблюденные характеристики хорошо интерпретировались в рамках этой модели. Тем не менее, внимательный анализ следствий фридмановской модели, свидетельствующий о ее внутренней незамкнутости, порождал у наиболее проницательных ученых скепсис относительно ее законченности. Остановимся на некоторых проблемах фридмановской модели.

1. Сингулярность. При а=0 радиус Метагалактики R также стремится к нулю. Следовательно, при Тд=0, ее объем обращается в нуль, а тогда в этот момент средняя плотность о вещества равна бесконечности. Весь опыт физики свидетельствует, что если в теории явления какая - либо величина обращается в бесконечность при конкретном значении одного из параметров теории, то последняя становится неприменимой при этом значении. Стандартный выход из тупика — конструирование новой, более совершенной теории, включающей старую как некое приближение. Следствие фридмановской модели при t=0 называется сингулярностью и составляет одну из ее основных проблем.

2. Проблема горизонта. Одно из основных понятий теории относительности — причинно-связанные явления. События А и В называются причинно-связанными, если А — причина события В. Условие причинности имеет простой физический смысл: возмущение, возникшее в точке А не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Максимальное расстояние, при котором возможна передача информации и называется горизонтом событий. В соответствии с моделью Фридмана и наблюдательными данными в современную эпоху R=10²⁸см, то есть радиус Метагалактики является ее горизонтом. Это обстоятельство кажется вполне невинным. Однако оно превращается в грозную проблему, если его связать с исключительной изотропией Метагалактики. Как причинно-несвязанные области Метагалактики могли подстроиться друг к другу, чтобы сформировать изотропию? Этот вопрос и составляет «проблему горизонта». Заметим, что А. Д. Линде насчитал около 10 проблем фридмановской космологии.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Автор - И. Л. РОЗЕНТАЛЬ, доктор физико-математических наук 
В печатном виде впервые опубликовано в журнале Земля и Вселенная № 1
за 1989 год. В электронном виде в данной редакции публикуется 
впервые (на сайте Астрогалактика) с разрешения редакции журнала "Земля и Вселенная",
подготовка в эл. виде - Козловский А.
3. Публикация проекта 01.05.2008