Проблемы космологии

КосмологияПроблемы космологии

1. Космологические модели. Космология - наука о Вселенной в целом, о общие законы его строения и развития. Это молодая и одновременно самая привлекательная отрасль астрономии. Она наиболее полно использует такие понятия, как пространство и время, которые являются не только физическими, но и философскими категориями. На ее «поле» за века ведется ожесточенная борьба между материалистическим и идеалистическим мировоззрениями.

 

Общие закономерности развития Вселенной изучаются с помощью космологических моделей. Другими словами, выводятся уравнения, по которым определяется изменение со временем расстояния между двумя произвольно взятыми материальными объектами во Вселенной (двумя галактиками), а также изменение с течением времени средней температуры и плотности вещества. При этом, как правило, исходят из так называемого космологического принципа, который гласит, что Вселенная является однородным и изотропным, то есть свойства Вселенной для каждого заданного момента времени одинаковые во всех его точках и по всем направлениям. Почему же равна критическая плотность вещества Весвиту? Оказалось, что ее значение определяется только современным значением постоянной Хаббла, которую точно найти очень непросто. Для ее вычисления приходится измерять красные смещения очень далеких галактик, поскольку близкие галактики имеют значительные собственные движения, не обусловленные расширением Вселенной.
Исчисленная по среднему значению постоянной Хаббла критическая плотность РКР составляет мизерную величину - около 10 ~ 29 г/см3, или 10 5 атомных единиц массы в каждом кубическом сантиметре. При такой плотности грамм вещества содержится в кубе со стороной 40 тыс. км!
Итак, для того чтобы узнать, какой космологической модели отвечает Вселенная, нужно определить среднюю плотность его вещества и сравнить с критической. Определения средней плотности - это первоочередная задача космологии.
Заметим, что при введении понятия расширяющейся Вселенной, вовсе не идет о какой физической точке, от которой происходит расширение. Никакого центра расширения не существует. Сравним Вселенная с точками на поверхности воздушного шарика. Когда мы начнем наполнять ее воздухом, расстояния к звездам и между точками будут расти, но одну точку при этом нельзя считать центром расширения.
Так и при расширении Вселенной - само пространство как разбухает, галактики удаляются друг от друга, оставляя благодаря гравитации неизменными свои объемы.
Но если мир галактик расширяется, то, возможно, определенное число лет назад все они начали свой разлет из некоторой так называемой сингулярной точки? Такое представление позволяет ввести понятие единого космологического времени t, отсчитываемого от момента, когда началось расширение мира галактик.
2. Проблема «скрытой массы». Если мы возьмем в окрестностях Солнца небольшой объем, например куб со стороной 10 пк, то в нем может оказаться несколько звезд и межзвездная плазма, а в соседних 10 ПК3 мы можем не найти ни одной звезды. Это свидетельствует о неравномерности заполнения веществом ближайшего к нам пространства. Звезды объединяются в галактики, а галактики объединяются в скопления, которые тоже расположены неравномерно. Среднее расстояние между скоплениями составляет около 30 Мпк. Следовательно, и в таких объемах Вселенная неоднороден. Но если мы возьмем куб со стороной 100 Мпк, то увидим иную картину: в любом месте Вселенной внутри таких объемов число галактик и их скоплений будет почти одинаковым.
«Размазав» мысленно все галактики по этим объемам, мы получим для каждого из них одинаковую среднюю плотность вещества. Это приводит к очень важному выводу: в больших масштабах Вселенная однородна, и значение средней плотности вещества в нем - это один из важнейших параметров.
Однако определить из наблюдений истинную среднюю плотность Вселенной, оказывается, еще сложнее, чем найти постоянную Хаббла и вычислить критическую плотность. Из астрономических наблюдений следует, что средняя плотность всего видимого вещества - зрение, пыли, газа, а также излучение - не превышает 10% критической плотности. Итак, кроме вещества, которое наблюдается, во Вселенной, несомненно, присутствует загадочная «скрытая» или темное вещество, которое ничем не проявляет себя, кроме гравитации. ее масса во много раз превышает массу видимого вещества.
В последние годы астрономы получили целый ряд прямых указаний на то, что в основном именно эта темное вещество заполняет Вселенную. Она образует протяженные невидимые темные гало галактик и содержится в межгалактическом пространстве, концентрируясь возле скоплений галактик.
Какова природа «скрытой» вещества? Возможно, это пока не открыты элементарные частицы, а возможно, вакуум должен таюи-свойств, что делает свой вклад в полную плотность материи. Это могут быть и обычные несамосветящихся тела небольшой массы, промежуточные между звездами и большими планетами. Может быть и «строительный мусор», что осталось после эпохи образования галактик.
Но как бы там ни было, измерить массу «скрытой» вещества - задача чрезвычайно сложная. Это важнейшая космологическое вопрос еще остается открытым.
3. Проблема горизонта. Если галактики разлетаются, то перенесемся мысленно в прошлое и найдем момент, когда расстояния между галактиками были такими маленькими, что они «касались» друг друга. Продолжая это путешествие во времени, мы неизбежно придем к такому моменту, когда вся доступная для наблюдений область Вселенной формально была стянута в точку, а плотность ее была бесконечно большой. Конечно, физически это невозможно, но в рамках модели допустимо говорить о времени жизни Вселенной как таковой, прошедшее с момента существования бесконечно большой (или просто большой, но такой, которая еще имеет физический смысл) плотности.
Это время, что называется возрастом Вселенной, в зависимости от принятого значения постоянной Хаббла оказывается близким к 12-15 млрд лет.
Если наши математические модели верно описывают реальный Вселенная, то среди астрономических объектов не должно быть таких, возраст которых превышает возраст Вселенной. И действительно, возраст старейших звезд как в нашей, так и в других галактиках, не больше 15 млрд лет.
Любой сигнал, несущий информацию, не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света. Поэтому «конечный» возраст Вселенной позволяет условно говорить и о размере наблюдаемого наблюдаемый Вселенная имеет вид сферы конечного радиуса rв, из-за пределов которой никакая информация не может прийти к нам в принципе. И никакое совершенствование техники не позволит заглянуть еще дальше. В честь Хаббла ее называют габбливським радиусом, а поверхность, которую он описывает, называется абсолютным горизонтом.
На сегодня за значение постоянной Хаббла H = 75 км / (с • Мпк) Хабблский радиус составляет 4 000 Мпк.
Но понятие радиуса Вселенной весьма условное: реальный Вселенная безгранична и нигде не заканчивается. Если наблюдатель будет двигаться, то его наблюдаемый «горизонт» будет отодвигаться все дальше и дальше. Через конечность скорости света величина красного смещения в спектре далекой галактики является одновременно и мерой расстояния до нее, и мерой времени, прошедшего с тех пор, когда она выпустила тот сигнал, что мы сейчас воспринимаем.
Наблюдая все более отдаленные галактики, мы заглядываем в их прошлом, потому что видим их такими, какими они были миллионы и миллиарды лет назад.