Підручник з Астрономії. 11 клас. Сиротюк - Нова програма
§ 29. ВСЕСВІТ. ПОХОДЖЕННЯ ТА ЕВОЛЮЦІЯ ВСЕСВІТУ. ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ УЯВЛЕНЬ ПРО ВСЕСВІТ. СПОСТЕРЕЖНІ ОСНОВИ КОСМОЛОГІЇ
1. Системи галактик. Галактики, як і зорі, утворюють групи й скупчення. Відомо, що загальна кількість в усьому видимому Всесвіті 100-200 млрд галактик. Близько 50 - найближчі галактики, з них наймасивніші - наша Галактика й Туманність Андромеди, утворюють систему галактик розмірами кілька сотень кілопарсеків, що одержала назву Місцева група галактик.
Великі скупчення галактик групуються в системи галактик. Вони містять до тисячі галактик і їхній розмір становить кілька мегапарсеків. Найближче велике скупчення галактик діаметром приблизно 5 Мпк перебуває в напрямку сузір’я Діви. Відстань від нього становить приблизно 20 Мпк. На спостережуваному небі скупчення має кутовий розмір із центром у сузір’ї Діви, звідси й походить його назва (мал. 7.12).
У його скупчення входять гігантські еліптичні й спіральні галактики, наприклад радіогалактика Діва А, спіральна галактика Сомбреро (мал. 7.13) та ін.
Найбільш віддалене скупчення галактик, до якого визначено відстань (5200 Мпк), розташоване в сузір’ї Волосся Вероніки. Тільки за допомогою найбільших телескопів можна розрізнити його найяскравіші галактики. Комплекси скупчень галактик розмірами 30-60 Мпк, що містять десятки скупчень, називають надскупченнями галактик. Скупчення галактик у сузір’ї Діви є центральним згущенням у надскупченні галактик, у яке входить і наша група галактик. На сьогодні виявлено близько 60 галактик Місцевої групи, близько 100 000 галактик у нашому місцевому надскупченні.
Мал. 7.12. Скупчення галактик у сузір’ї Діви
Мал. 7.13. Скупчення галактик у сузір’ї Діви, фото телескопа «Буррела»
Мал. 7.14. Розподіл галактик у просторі
Надскупчення і скупчення галактик утворюють у просторі волокноподібні структури, що нагадують бджолині стільники (мал. 7.14).
Розміри порожніх «осередків» становлять близько 100-150 Мпк, товщина «волокон» - близько 10 Мпк. Середня густина речовини у «волокнах» - близько 10-24 кг/м3. Великомасштабна структура Всесвіту має стільниковий вигляд. Середня густина світлої речовини в масштабах понад 300 Мпк дорівнює 3 • 10-28кг/м3. Це і є середнє значення густини світлої речовини у спостережуваній частині Всесвіту, тобто у великих масштабах Всесвіт у середньому однорідний.
2. Розширення Всесвіту. Сукупність спостережуваних галактик усіх типів та їхніх скупчень, квазарів, міжгалактичного середовища утворює Всесвіт. Одна з найважливіших властивостей Всесвіту - його постійне розширення, «розліт» скупчень галактик, про що свідчить червоне зміщення у спектрах галактик. Всесвіт перебуває у стані приблизно однорідного й ізотропного розширення. Однорідність означає однаковість усіх властивостей матерії усюди у просторі, а ізотропія - однаковість цих властивостей у будь-якому напрямку. Однорідність свідчить про відсутність виділених областей простору, а ізотропія - про відсутність виділеного напрямку. Припущення про однорідність та ізотропність Всесвіту називають космологічним принципом.
Гіпотезу про розширення Всесвіту на основі загальної теорії тяжіння Ейнштейна й точних розрахунків висунув у 1922 р. російський фізик і математик Олександр Фрідман (1888-1925).
Перші нестаціонарні розв’язки рівнянь Ейнштейна, які отримав учений у 1922-1924 рр., досліджуючи релятивістські моделі Всесвіту, дали початок розвитку теорії нестаціонарного Всесвіту. Учений досліджував нестаціонарні однорідні ізотропні моделі з простором позитивної кривизни, заповненим рівномірно розподіленою матерією (з нульовим тиском). Нестаціонарність розглянутих моделей описується залежністю радіуса кривизни і густини від часу, причому густина змінюється обернено пропорційно до куба радіуса кривизни. Фрідман з’ясував типи поведінки таких моделей, що допускаються рівняннями тяжіння, причому модель стаціонарного Всесвіту Ейнштейна виявилася окремим випадком. Спростував думку про те, що загальна теорія відносності вимагає допущення скінченного простору. Результати Фрідмана продемонстрували, що рівняння Ейнштейна не приводять до єдиної моделі Всесвіту, хоч би якою була космологічна стала. З моделі однорідного ізотропного Всесвіту випливає, що під час його розширення спостерігається червоний зсув, пропорційний відстані. Це підтвердив у 1929 р. Габбл на підставі астрономічних спостережень: спектральні лінії у спектрах галактик виявилися зміщеними до червоного кінця спектра, що свідчить про розбігання галактик.
З розрахунків Фрідмана випливали три можливих наслідки: Всесвіт та його простір розширюються із часом; Всесвіт через певний час почне стискатися; у Всесвіті повторюються через величезні інтервали часу цикли стискання і розширення. Виникає запитання: який з трьох варіантів реалізується в нашому Всесвіті? Відповісти на нього має спостережувана астрономія, яка повинна визначити сучасну середню густину речовини у Всесвіті й уточнити значення сталої Габбла. Чому важливо уточнювати ці Дві сталі величини?
За сучасними оцінками, густина речовини Всесвіту наближена до критичного значення: вона або трохи більша, або трохи менша (не вирішено остаточно питання про облік міжгалактичного газу та «прихованої маси»). Якщо фактична середня густина речовини у Всесвіті більша від критичної, то розширення Всесвіту має змінитися його стисканням. Якщо середня густина речовини у Всесвіті менша від критичної, то розширення продовжиться.
Стала Габбла дає змогу оцінити час, протягом якого триває процес розширення Всесвіту. Визначено, що він становить не менше ніж 10 млрд і не більше ніж 19 млрд років. Найімовірніше значення середнього віку Всесвіту - близько 15 млрд років. Це значення не суперечить оцінкам віку найстаріших зір.
3. Модель гарячого Всесвіту. В основі сучасної астрономічної картини світу про еволюцію Всесвіту лежить модель гарячого Всесвіту. Відповідно до неї на ранніх стадіях розширення Всесвіт характеризувався не тільки високою густиною речовини, але і його високою температурою. Гіпотезу «гарячого Всесвіту» висунули бельгійський католицький священик, астроном і математик Жорж Леметр (1894-1966) та американський фізик-теоретик, космолог українського походження Георгій Гамов (1904-1968). Вона одержала назву Великий Вибух.
Відповідно до цієї теорії передбачається, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху зі стану з дуже високою густиною матерії та величезною енергією. Цей початковий стан матерії називають сингулярністю - точковий об’єм з нескінченною густиною. Розширення Всесвіту не можна розглядати як розширення надгустої матерії у довколишнє середовище, тому що його не існувало. Всесвіт - це все, що існує. Речовина Всесвіту із самого початку однорідно заповнювала весь безмежний простір. Причини початку розширення Всесвіту до кінця не відомі. У міру його розширення температура знижувалася від дуже великої до дуже малої, що й забезпечило сприятливі умови для утворення зір і галактик.
На підставі моделей Фрідмана було розроблено поетапну фізичну картину еволюції речовини, починаючи з моменту вибуху. Через 3 хв після Великого Вибуху процес формування раннього Всесвіту закінчився і почався процес сполучення протонів і нейтронів у складові ядра. Потім майже 500 тис. років відбувалося повільне охолодження. Коли температура Всесвіту знизилася приблизно до 3 тис. градусів, ядра Гідрогену і Гелію вже могли захоплювати вільні електрони й перетворюватися на нейтральні атоми.
Через мільйон років після початку розширення настала ера речовини, коли з гарячої воднево-гелієвої плазми з малою домішкою інших ядер почало розвиватися різноманіття нинішнього світу.
Неоднорідності у Всесвіті, з яких згодом виникли всі структурні утворення, зародилися у вигляді незначних випадкових відхилень (флуктуацій). А потім підсилилися в епоху, коли йонізований газ у Всесвіті став перетворюватися в нейтральний, тобто коли випромінювання «відірвалося» від речовини.
Після того як речовина стала «прозорою» для електромагнітного випромінювання, у дію вступили гравітаційні сили. Вони стали переважати над усіма іншими взаємодіями між масами практично нейтральної речовини, що складали основну частину матерії Всесвіту. Гравітаційні сили створили галактики, скупчення зір і планети.
Яка доля Всесвіту? Існують дві теоретичні моделі майбутнього Всесвіту - закрита і відкрита. Закрита модель припускає, що Всесвіт може бути представлений як грандіозна закрита система, що випробовує безліч еволюційних циклів. Цикл розширення змінюється циклом наступного стискання до повернення в сингулярний стан, потім новий вибух тощо. Повний цикл розширення та стискання Всесвіту становить приблизно 100 млрд років. Щоразу, повертаючись до сингулярності, Всесвіт втрачає «пам’ять» про минулий стан і може знову «народитися» із зовсім новим набором фізичних констант.
У відкритих моделях Всесвіту розглядаються різні варіанти його «теплової смерті». Передбачається, що вже через 1014 років багато зір охолонуть, і це надалі приведе до відриву планет від своїх зір, а ті, у свою чергу, почнуть залишати галактики. Потім центральні частини галактик колапсують, утворюючи чорні діри, унаслідок чого припинять своє існування.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
- 1. Опишіть просторовий розподіл галактик у Всесвіті. Який вік галактик і зір?
- 2. У чому сутність теорії розширення Всесвіту?
- 3. Яких висновків про стаціонарність Всесвіту дійшов Фрідман?
- 4. Що таке критична густина Всесвіту? Як критична густина взаємопов’язана з розширенням або стисканням Всесвіту?
- 5. Опишіть модель гарячого Всесвіту.
- 6. Опишіть основні ери в історії Всесвіту.
- 7. Що розуміють під закритою та відкритою моделями Всесвіту?
РОЗВ'ЯЗУЄМО РАЗОМ
Задача 1. Деякі теорії космологічних моделей передбачають, що повний Всесвіт має розмір набагато більший, ніж спостережуваний. Які висновки із цього можна зробити?
Розв’язання. Теоретично межа спостережуваного Всесвіту доходить до космологічної сингулярності, однак на практиці межею спостережень є реліктове випромінювання (космічне електромагнітне випромінювання з високим ступенем ізотропності та спектром). Саме воно (точніше, поверхня останнього розсіювання) є найвіддаленішим об’єктом Всесвіту, які спостерігаються сучасною наукою. На сьогодні спостережувана поверхня останнього розсіювання збільшується в розмірах так, що межі Метагалактики збільшуються і збільшується маса спостережуваної речовини у Всесвіті.
Спостережуваний Всесвіт можна уявити як кулю зі спостерігачем у центрі. Розмір спостережуваного Всесвіту, виражений у світлових роках відповідає віку рівномірного розширення простору і дорівнює радіусу від 13 до 18 млрд світлових років. Причому останні визнані оцінки відповідають значенню 13,4-15 млрд світлових років.
Задача 2. Назвіть три можливих варіанти розвитку Всесвіту, згідно з теорією Фрідмана.
Відповідь. За теорією Фрідмана, можливі три варіанти розвитку Всесвіту: Всесвіт закритий, відкритий і пульсуючий. Спільне в них те, що в якийсь момент часу в минулому (10 чи 20 млрд років тому) відстань між сусідніми об’єктами Всесвіту мала б дорівнювати нулю. У цей момент, який називають Великим Вибухом, густина Всесвіту і кривизна простору мали би бути нескінченно великими, тобто Всесвіт мав би бути точкою, яку математики називають сингулярною. У цій точці всі сучасні закони фізики втрачають свою дію, а тому цю точку можна розглядати як математичний образ нової фізичної реальності. Процес переходу космічної матерії із цього «точкового» стану на стадію розширення і є Великим Вибухом. Від цієї часової межі починається історія нашого Всесвіту.
Задача 3. Поясніть суть методу визначення відстаней до галактик за спектральними спостереженнями.
Розв’язання. Габбл з’ясував, що лінії у спектрах відомих галактик зміщені в червоний бік порівняно з тими самими лініями у спектрі нерухомого об’єкта. Із спостережень було встановлено, що швидкість віддалення галактик пропорційна відстані до них:
