Розділ 5. Всесвіт

§ 39. Походження і розвиток Всесвіту

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснити основні етапи еволюції всесвіту і природу реліктового випромінювання, а також описати спостережні дані, які підтверджують теорію Великого Вибуху; великомасштабну структуру Всесвіту; загальноприйняті моделі (сценарії) його походження й розвитку.

ВЕЛИКИЙ ВИБУХ — ПОЧАТОК НАШОГО ВСЕСВІТУ. Подію, внаслідок якої виник наш всесвіт, називають Великим Вибухом. На користь теорії Великого Вибуху є кілька доказів, серед яких і відомий нам факт розширення Всесвіту. Також ця теорія пояснює поширеність у Всесвіті легких хімічних елементів, таких як Гелій і Літій. Але головним доказом є наявність космічного фонового випромінювання, про яке йтиметься далі. За його вивчення вже присуджено дві Нобелівські премії.

Теоретичні розрахунки показують: у віці 10^-43 с (так званий час Планка, гіпотетична природна найменша можлива одиниця часу, квант часу) Всесвіт був дуже маленьким і щільним. Однак за час від 10^-34 с до 10^-32 с після Великого Вибуху Всесвіт розширився від нескінченно малих розмірів до розмірів апельсина, тобто збільшився приблизно у 10³⁰разів. Розміри Всесвіту зростали експоненціально (в економіці такі процеси називають інфляцією), тому космологічну теорію, що описує перші миті існування Всесвіту, називають інфляційною. Її запропонував у 1980 р. американський вчений А. Гут.

Наслідком швидкого розширення стало виділення колосальної кількості енергії й утворення елементарних частинок — кварків та антикварків. Уже через десятитисячну частку секунди з них утворилися різні частинки, зокрема протони і нейтрони та їх античастинки.

Ще через одну десятитисячну частку секунди за температури 10¹²К відбулась анігіляція протонів з антипротонами та нейтронів з антинейтронами з утворенням фотонів (явище перетворення маси в енергію за умови взаємодії речовини й антиречовини). Та, вочевидь, від самого початку концентрація частинок перевищувала кількість античастинок приблизно на одну мільярдну частку. Цей «надлишок» став будівельним матеріалом для сучасного світу.

Через секунду після Великого Вибуху за температури 10¹⁰ К Всесвіт став прозорим для нейтрино, тоді як протони, нейтрони, електрони й позитрони були перемішані з фотонами. Через 3 с температура знизилася до 3 · 10⁹К, електрони вступили у взаємодію з позитронами й також анігілювали. А через 3 хв за температури 3 · 10⁸К почалось утворення ядер перших хімічних елементів — Дейтерію, Гелію, Літію.

У наступні 300 000 років Всесвіт був непрозорим для світла, бо електрони, протони, Гелій і в значно меншій кількості Літій, з яких складалася первісна плазма, безперервно поглинали, випромінювали й розсіювали фотони, не даючи їм поширюватись вільно.

Та врешті-решт, розширюючись далі, Всесвіт охолов до температури близько 3000 К. Відстані між частинками зросли, й фотони втратили можливість руйнувати нейтральні атоми Гідрогену і Гелію, що утворились. Частинки, відтепер зв'язані в атомах, перестали заважати руху фотонів, і Всесвіт майже миттєво став «прозорим» для випромінювання: світло відокремилося від речовини.

Відтоді випромінювання вільно поширюється у Всесвіті, бо практично не взаємодіє з речовиною.

Отже, через 300 тис. років після Великого Вибуху домінуючою формою матерії у Всесвіті стала речовина, більшу частину якої становить темна матерія. Відтоді почали швидко збільшуватись у розмірах неоднорідності речовини, що існували ще на стадії домінування випромінювання. У наступні сотні мільйонів років під дією сил тяжіння речовина стала концентруватися в окремі згустки — протогалактики, в яких почали утворюватись перші зорі.

Рис. 39.1. Основні етапи розвитку нашого всесвіту на рисунку, створеному за результатами роботи WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

КОСМОЛОГІЧНІ МОДЕЛІ. Походження, великомасштабну структуру й еволюцію Всесвіту як єдиного цілого вивчає космологія. Від часу створення І. Ньютоном теорії гравітації в науці панувала теорія незмінного та нескінченного у просторі й часі стаціонарного Всесвіту (класична ньютонівська космологія), і еволюцію Всесвіту не розглядали, бо вважали, що її не існує.

Першу наукову космологічну модель Всесвіту розробив А. Ейнштейн у 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність та нескінченність простору і часу, а також застосував космологічний принцип, згідно з яким наш всесвіт є однорідним та ізотропним. Тобто в усіх напрямках Всесвіт має однакові властивості, незалежно від того, з якого місця в ньому ми його спостерігаємо.

Космологічну модель Всесвіту А. Ейнштейн розробив, спираючись на основне рівняння тяжіння, яке належить до створеної ним раніше загальної теорії відносності (ЗТВ). Згідно з цією теорією, простір і час — величини взаємозалежні. Їх визначає розподіл гравітаційних мас у Всесвіті. А властивості Всесвіту як цілого зумовлені значенням середньої густини речовини в ньому та іншими фізичними параметрами.

У середині 20-х років ХХ ст. російський вчений Олександр Фрідман знайшов нові розв'язки рівняння тяжіння ЗТВ, з яких випливав дуже важливий висновок: Всесвіт, заповнений масою, на яку діє сила тяжіння, не може бути стаціонарним. Він мусить або розширюватися, або стискатися.

Космологічна модель О. Фрідмана показує, що розвиток Всесвіту залежить від кількості речовини в ньому (від значення середньої густини речовини у Всесвіті). Якщо її замало, щоб створити силу тяжіння, потрібну для припинення розбігання, розширення триватиме необмежено довго. В іншому разі — розширення загальмується й зміниться на стискання (рис. 39.2).

Рис. 39.2. Олександр Фрідман і його космологічні моделі: відкритий, закритий та пульсивний Всесвіти

1946 р. Дж. Гамов запропонував ще одну космологічну модель — «гарячого Всесвіту», яка пояснювала механізм утворення основного ізотопу Гелію (Гелій-4). З його моделі випливало, що й до нашого часу має існувати космічне фонове, або реліктове, випромінювання, що залишилося від епохи раннього Всесвіту. Експериментально його виявили в 1965 р. американські радіоастрономи А. Пензіас і Р. Вілсон. І це відкриття стало одним з найяскравіших доказів на користь теорії Великого Вибуху.

Фонове випромінювання має великий ступінь однорідності (ізотропії). Але воно не може бути абсолютно однорідним, бо пов'язане з речовиною, в якій обов'язково мали бути неоднорідності густини. Якби цих неоднорідностей не було, то галактики і скупчення галактик ніколи б не виникли.

Анізотропію мікрохвильового фонового випромінювання вдалося виявити тільки в 1992 р. на підставі космічних спостережень спеціалізованого супутника COBE (COsmic Background Explorer), а також пізніших досліджень (рис. 39.3).

Рис. 39.3. Карта анізотропії реліктового випромінювання (різні кольори відповідають різним інтенсивностям), побудована на основі спостережень космічного зонда WMAP

Нині теорію Великого Вибуху вважають стандартною і загальновизнаною космологічною моделлю, а всі інші — надбанням історії науки.

Моделі О. Фрідмана показують три можливих варіанти подальшої еволюції Всесвіту. Щоб вибрати з них той сценарій, який реалізує природа, треба визначити середнє значення густини речовини у Всесвіті. Це завдання неймовірно складне, адже можна врахувати тільки ту речовину, яку ми бачимо або реєструємо приладами, — зорі, газ, пил, різноманітні частинки, випромінювання тощо. А її, за спостережними даними, явно замало, щоб створити силу тяжіння, здатну тримати вкупі окремі галактики, їх скупчення й надскупчення. Та оскільки ці великі системи космічних тіл упродовж дуже тривалого часу зберігають стабільні розміри, у Всесвіті є ще й прихована маса, або темна матерія. Вона не світить, але виявляє себе силою тяжіння.

Природа темної матерії досі невідома. Можливо, її носій — ще не відкриті елементарні частинки, наприклад, гіпотетичні аксіони чи вімпи.

Утім питання подальшої еволюції Всесвіту вдалося з'ясувати й без визначення точного значення в ньому середньої густини речовини. Зі спостережень за вибухами Наднових у далеких галактиках випливало, що наш Всесвіт не просто розширюється, а розширюється з прискоренням, і це розширення триватиме вічно до повного «завмирання» в ньому всіх процесів і явищ. Отже, схоже на те, що ми живемо в так званому відкритому Всесвіті.

Тепер з'ясовано, що вік Всесвіту дорівнює 13,7 млрд років (з точністю до 1 %), а його складовими є: темна енергія — 72 %, яка відповідає за розширення, невидима темна матерія — 23 %, що зберігає стабільними розміри окремих мегасистем, і тільки 5 % становить видима речовина, яку можна реєструвати. Є також різні поля і випромінювання (рис. 39.4).

Рис. 39.4. Розподіл речовини, матерії та енергії у нашому всесвіті

За прискорене розширення нашого всесвіту «відповідає» темна енергія. Нині більшість фізиків вважають, що природа цієї енергії — це енергія фізичного вакууму. Фізичний вакуум не варто ототожнювати з порожнечею. У ньому повсякчас виникають і зникають віртуальні частинки. Він наче «піниться» або «кипить». Тобто на дуже малих масштабах (так званому квантовому рівні) вакуум виявляє себе як дуже складна динамічна система, що, можливо, здатна проявити себе й на мегарівні — забезпечити розширення Всесвіту з прискоренням.

Темна енергія — загадка століття

http://www.astroosvita.kiev.ua/infoteka/articles/Temna-enerhiia-zahadka-stolittia-1.php

! Головне в цьому параграфі

Вчені вважають, що наш всесвіт виник унаслідок Великого Вибуху приблизно 13,7 млрд років тому. Зазнавши надшвидкого розширення (інфляції), Всесвіт вступив у епоху формування галактик і зір. Цей етап розвитку Всесвіту триває і досі. У перші три хвилини існування Всесвіту в ньому з'явилися найпростіші хімічні елементи — Гідроген, Гелій, Літій. Усі інші елементи є результатом еволюції зір.

У середині 20-х років ХХ ст. О. Фрідман знайшов нові розв'язки рівняння тяжіння ЗТВ, з яких випливав дуже важливий висновок: Всесвіт, заповнений масою, на яку діє сила тяжіння, не може бути статичним. Він має або розширюватися, або стискатись. Розширення Всесвіту відбувається прискорено, і його параметри такі, що він і далі буде необмежено розширюватися.

? Запитання для самоперевірки