Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 57. Елементи сучасної космології

Космологічні моделі Всесвіту. Всесвіт як ціле вивчає окремий розділ астрономії — космологія. Моделі, за допомогою яких намагаються описати загальні закономірності еволюції Всесвіту як цілого, називають космологічними моделями. Відтоді, як Ісаак Ньютон створив теорію гравітації на підставі закону всесвітнього тяжіння, в астрономії панувала теорія стаціонарного Всесвіту — класична ньютонівська космологія. Вона спиралась на такі постулати: а) Всесвіт завжди був, є і буде стаціонарним, тобто незмінним (змінюватися можуть конкретні космічні системи, але не світ у цілому); б) простір і час абсолютні, метрично нескінченні, однорідні й ізотропні та не залежать від матеріальних об'єктів і процесів, що відбуваються у Всесвіті.

Ньютонівська космологія приховує в собі два парадокси, пов'язані з постулатом нескінченності Всесвіту. Перший парадокс дістав назву гравітаційного. Суть гравітаційного парадоксу: якщо Всесвіт нескінченний і в ньому існує нескінченна кількість небесних тіл, то сила тяжіння буде нескінченно великою і Всесвіт має зазнати колапсу, а не існувати вічно. Другий парадокс називають фотометричним: якщо існує нескінченна кількість небесних тіл, то світність неба має бути нескінченною. Але ми такого явища не спостерігаємо.

Ще один парадокс — термодинамічний — пов'язаний із законами термодинаміки, відповідно до яких будь-яка система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне до найбільш вірогідного рівноважного стану — до стану з максимумом ентропії, за якого теплота рівномірно розподілиться між усіма тілами. А що це означає для Всесвіту? Це означає його «теплову смерть». Всесвіт продовжуватиме своє існування, він не зникне, не перетвориться на ніщо, але всі термодинамічні процеси в ньому повністю припиняться. Висновок про теплову смерть Всесвіту сформулював Рудольф Клаузіус у 1865 р.

Розв'язати ці парадокси покликана сучасна космологія. Першу релятивістську космологічну модель Всесвіту розробив Альберт Ейнштейн у 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченність простору і часу, а також застосував космологічний принцип, згідно з яким наш Всесвіт є однорідним та ізотропним. Поняття однорідності означає — вигляд Всесвіту в один і той самий момент часу не залежить від місця спостереження. Вивчаючи Всесвіт з будь-якої його точки в один і той самий момент часу, ви отримаєте однакові результати. А поняття ізотропності означає — властивості Всесвіту не залежать від напрямку, в якому його спостерігають. Усі напрямки у Всесвіті — рівноправні.

Потрібно зауважити, що на відносно невеликих масштабах (до 80 Мпк, або 260 млн св. р.) «нитки» та «стіни», утворені зі скупчень і надскупчень галактик, що огортають велетенські порожнини — войди, є відхиленням від однорідності. Бо з різних точок цього об'єму картина ближнього Всесвіту буде дещо різною. Але як свідчать астрономічні спостереження: на великих масштабах (більших за 100 Мпк) однорідність розподілу матерії у Всесвіті й відсутність виділених напрямків виконуються з належною точністю.

Космологічну модель Всесвіту Альберт Ейнштейн розробив, спираючись на основне рівняння тяжіння, яке входить до створеної ним загальної теорії відносності (ЗТВ). Це рівняння пов'язує кривизну простору-часу з матерією — речовиною, що заповнює викривлений простір, який розглядають. Згідно із цією теорією, простір і час — величини взаємозалежні. Їх визначає розподіл гравітаційних мас у Всесвіті. А властивості Всесвіту як цілого зумовлені значенням середньої густини речовини та іншими фізичними параметрами. Тобто з рівнянь випливало, що Всесвіт не є стаціонарним, а має або стискатись, або розширюватись.

Альберт Ейнштейн ще передбачав, що викривлення простору-часу масивними об'єктами має породжувати гравітаційні хвилі, які поширюються зі швидкістю світла. Гравітація є найслабшою з-поміж чотирьох фундаментальних сил. Отже, тільки космічні явища колосальних масштабів, як-от зіткнення або взаємодія чорних дір, нейтронних зір або пульсарів, чи вибух наднової, — можуть стати джерелом відчутних для нас гравітаційних хвиль.

Перші докази існування гравітаційних хвиль (мал. 234, а) були отримані в 1974 р., коли в системі однієї з подвійних зір зареєстрували зменшення періоду обертання внаслідок втрати енергії через випромінювання гравітаційних хвиль. За це відкриття американські радіоастрономи Джозеф Тейлор і Расселл Халс у 1993 р. отримали Нобелівську премію.

Зареєструвати гравітаційні хвилі вчені змогли лише в 2016 р. завдяки лазерному інтерферометру гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) (мал. 234, б). За це відкриття Райнер Вайс, Беррі Беріш і Кіп Торн отримали Нобелівську премію 2017 р.

Мал. 234. Гравітаційні хвилі у Всесвіті: а — моделювання процесу утворення гравітаційних хвиль; б — установка для їх фіксації на Землі

Але на початку ХХ ст. ідеї Альберта Ейнштейна не узгоджувалися з відомими астрономічними спостережними даними. Для тодішних астрономів простір не залежав від часу, а Всесвіт був нескінченним у часі й безмежним у просторі. Щоб отримати розв'язок свого рівняння для статичного й незмінного Всесвіту, Ейнштейн увів до нього безрозмірну космологічну сталу, яка мала протидіяти силам гравітації, тобто діяти у зворотному напрямку й запобігати стисканню.

Коли було з'ясовано, що основне рівняння тяжіння ЗТВ має не одне, а багато розв'язків, з'явились інші космологічні моделі Всесвіту. У 1922 р. російський математик і геофізик Олександр Олександрович Фрідман (мал. 235) запропонував розв'язки рівняння тяжіння ЗТВ, з яких випливало кілька сценаріїв розвитку Всесвіту. Серед них був цікавий варіант, коли космологічна стала дорівнювала нулю. Тоді еволюція Всесвіту стає залежною від початкового значення густини речовини, а Всесвіт, заповнений масою, на яку діє сила тяжіння, не може бути статичним. Він має або розширюватися, або стискатися.

Мал. 235. Олександр Фрідман

Якщо середня густина речовини й випромінювання ρс у Всесвіті дорівнює або менша від деякої критичної величини ρк, (ρс = ρк, або ρс < ρк), то Всесвіт необмежено розширюється від початкового точкового стану (точки сингулярності). Якщо ρс більша за ρк, (ρс > ρк), то розширення Всесвіту на якомусь етапі зміниться на стискання, що триватиме аж до точки сингулярності. Нині, за різними оцінками, значення

Космологічні моделі Всесвіту Фрідмана, як і його попередників, були за своєю суттю математичними моделями. Їх ще треба було перевірити на практиці, виконуючи астрономічні спостереження. І ці спостереження не забарились. У 1926 р. Едвін Габбл виявив факт розбігання галактик.

Становлення теорії Великого вибуху. У 1927 р. Жорж Леметр запропонував космологічну модель Всесвіту — теорію Великого вибуху, згідно з якою наш світ виник унаслідок вибуху надгустої матерії («первинного атома»). У 1948 р. одесит, а згодом американський фізик-теоретик і астрофізик Джорж (Георгій) Гамов припустив, що утворені під час періоду анігіляції фотони існують і донині, утворюючи космічний фон. Часто його називають реліктовим випромінюванням, оскільки воно насправді є реліктом ранньої епохи розвитку Всесвіту.

Коли в 1965 р. американські радіоастрономи Арно Пензіас і Роберт Вільсон зареєстрували реліктове випромінювання, це стало одним із доказів на користь теорії Великого вибуху.

Основні етапи еволюції Всесвіту згідно з теорією Великого вибуху. Хоча момент народження нашого Всесвіту називають Великим вибухом, варто розуміти, що зі звичайним вибухом він не має нічого спільного. Звичайний вибух відбувається в певну мить у певному місці простору та іноді справді буває грандіозним. Проте до моменту Великого вибуху не було ані простору, ані часу. Простір і час виникли після Великого вибуху. Тобто наслідком цієї події стала поява Всесвіту, який почав розширюватися. А тому порівнювати подію народження Всесвіту зі звичайним вибухом не можна.

Сучасні астрономічні та фізичні уявлення не пояснюють однозначно того, що було до Великого вибуху або відразу після нього. Але відомі й перевірені на практиці закони фізики уможливлюють наукову екстраполяцію в минуле аж до моменту t = 10-43 с від початку розширення.

Це так званий час Планка, що є гіпотетичною граничною природною одиницею вимірювання масштабу часу (квантом часу), яку ввів німецький фізик-теоретик Макс Планк. Подій у проміжку часу, що менший за час Планка, від t = 0 до t = 10-43 с відомими нині законами фізики описати неможливо: вони в цьому часовому інтервалі просто не діють. Саме тому науковці не знають, що відбувалось у крихітну частку часу тривалістю 10-43 с, яка минула після Великого вибуху, тобто від часу t = 0.

Теоретичні розрахунки показують, що у віці 10-43 с Всесвіт був дуже малим (l ≈ 10-33 см) і мав величезну густину, але потім він зазнав розширення від дуже малих до неймовірно великих розмірів.

В економіці подібні процеси називають інфляцією, тому космологічну теорію, що описує перші миті існування Всесвіту, називають інфляційною теорією Великого вибуху. Її запропонував у 1980 р. американський вчений Алан Ґут. Вона є вдосконаленою теорією Великого вибуху.

Початок інфляції було спричинено «хибним» вакуумом, або псевдовакуумом, — різновидом фізичного вакууму з від'ємним тиском (основними параметрами вакууму є енергія і тиск, залежно від цих параметрів вакуум може перебувати в різних енергетичних станах). Такий тиск створює силу відштовхування, що діє як антигравітація. Що вища енергія вакууму, то вищий тиск, а в разі псевдовакууму — відштовхування. Псевдовакуум — нестабільний і дуже швидко розпадається, перетворюючись на вакуум з низьким рівнем енергії. Вивільнена внаслідок розпаду енергія витрачається на утворення великої кількості елементарних частинок — кварків та антикварків, з яких уже через десятитисячну частку секунди утворились різні частинки, серед яких — протони й нейтрони та їхні античастинки. Інакше кажучи, з енергії виникає речовина, яка має високу температуру.

Далі розвиток Всесвіту відбувається так, як передбачає стандартна космологія Великого вибуху.

Після закінчення інфляції Всесвіт розширювався й охолоджувався. Ще через одну десятитисячну частку секунди за температури 1012 K відбулась анігіляція протонів з антипротонами й нейтронів з антинейтронами з утворенням фотонів. Та вочевидь від самого початку концентрація частинок перевищувала кількість античастинок приблизно на одну мільярдну частку. Саме ці частинки стали будівельним матеріалом для світу речовини — галактик, зір, планет тощо. З фотонів, що утворилися під час анігіляції, значною мірою складається реліктове випромінювання. Через 1 с після Великого вибуху за температури 1010 K Всесвіт став прозорим для нейтрино, тоді як протони, нейтрони, електрони й позитрони були перемішані з фотонами. Через 3 с температура знизилася до 3 · 109 K, й електрони проанігілювали з позитронами, а ще через 3 хв за температури 3 · 108 K почалось утворення перших ізотопів і хімічних елементів — Дейтерію, Гелію, Літію.

У наступні 300 000 років помітних змін не відбувалося. Увесь цей час Всесвіт був непрозорим для світла, бо електрони, протони, ядра гелію і в значно меншій кількості ядра літію, з яких складалася первісна плазма, безперервно поглинали, випромінювали й розсіювали фотони, без можливості вільного поширення. Та врешті-решт, розширюючись далі, Всесвіт охолонув до температури близько 3000 K. Тоді енергія фотонів стала меншою від сили кулонівського притягання електронів і протонів, а відстані між частинками — достатньо великими для того, щоб фотони перестали розбивати щойно утворені нейтральні атоми водню та гелію. Зв'язані в атомах, частинки перестали заважати руху фотонів, і Всесвіт раптово став «прозорим» для випромінювання: світло відокремилося від речовини. Від цього моменту випромінювання вільно поширюється у Всесвіті, бо практично не взаємодіє з речовиною. З фізичної точки зору принципова різниця між видами матерії (речовиною й електромагнітним випромінюванням) полягає в тому, що швидкість елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів), з яких утворені зорі, планети і, нарешті, ми з вами, ніколи не може досягти швидкості світла, у той час як кванти електромагнітних хвиль ніколи не можуть мати швидкість, меншу від швидкості світла.

Отже, через 300 000 років після Великого вибуху панівною формою матерії у Всесвіті стає речовина (видима й невидима). Відтак починають швидко збільшуватися в розмірах неоднорідності речовини. Розвиток гравітаційної нестійкості в наступні мільйони років «змусив» речовину збиратися в окремі згустки — протогалактики, у яких приблизно через мільярд років після Великого вибуху почали утворюватися перші зорі.

Темна речовина і темна енергія. Перший доказ на користь існування темної матерії було отримано Фріцем Цвіккі в Каліфорнійському технологічному інституті 1933 р. Він досліджував скупчення галактик у сузір'ї Кома та отримав свідчення про існування невидимої маси. Цвіккі оцінив загальну масу скупчення на базі руху галактик поблизу її краю та порівняв її з видимою масою, оціненою за кількістю галактик і загальною яскравістю скупчення. Він виявив, що розрахована маса приблизно в 400 разів більша за візуально спостережувану. Маси видимих галактик у скупченні було занадто мало для пояснення їхніх орбітальних швидкостей. Цей факт відомий як «проблема прихованої маси». Цвіккі зробив висновок, що існує якась невидима форма матерії, яка забезпечує достатню кількість маси, а отже, і гравітації, що не дає змоги скупченню розлітатись.

Згідно з нинішніми уявленнями, темна матерія відіграла особливу роль у формуванні великомасштабної структури Всесвіту. Якби темної матерії не було, то ця структура не змогла б виникнути. Ймовірно, спочатку виникли згустки темної матерії (їх називають гравітаційними ямами), а потім звичайна матерія скупчилась навколо них. Якщо темна матерія заповнює увесь Всесвіт, то це означає, що галактики існують не ізольовано, а в рамках колосальної мережевої структури, основою якої є темна матерія. Отже, галактики — скупчення звичайної матерії, розміщені у вузлових точках всесвітньої мережі з темної матерії. Галактики — це лише «піки» в концентрації речовини, розподіленої у Всесвіті.

Природа темної матерії досі не відома. Нині пошуки темної матерії виконують як прямими, так і непрямими методами. Велика частка доказів існування темної матерії походить з вивчення галактик. Одним з ефектів, що виявляється під час вивчення галактик, є гравітаційне лінзування. Ще в ЗТВ Ейнштейна вказується, що масивне тіло своїм гравітаційним полем викривлює простір. За допомогою гравітаційного лінзування можна дослідити гравітаційний потенціал досліджуваного об'єкта. Так, було встановлено, що існують скупчення галактик — найбільш стабільні системи у Всесвіті. І вірогідно, що цю стабільність забезпечує маса, яка проявляє себе тільки в гравітаційній взаємодії — темна маса, або темна матерія.

Невелика частина темної матерії може виявитися баріонною темною матерією астрономічних тіл, як-от масивні компактні об'єкти гало (планети, чорні діри, холодні зорі на кшталт коричневих карликів тощо), які складаються зі звичайної матерії, однак випромінюють мало або взагалі не випромінюють електромагнітного випромінення. Більшість темної матерії у Всесвіті — не баріонна. І вважається, що вона не взаємодіє зі звичайною речовиною завдяки електромагнітній взаємодії.

Згодом було виявлено, що Всесвіт на космологічних відстанях розширюється швидше, ніж це випливає із закону Габбла, тобто розширення Всесвіту відбувається з прискоренням. Оскільки звичайна гравітуюча речовина не може надавати галактикам додаткової швидкості, навпаки, вона сповільнює розліт, то з факту прискореного розширення випливає, що у Всесвіті є субстанція, спроможна діяти, як антигравітація і саме вона прискорює всі далекі об'єкти. Цю субстанцію назвали темною енергією. Природа темної енергії також достеменно не відома.

На сучасному етапі вік Всесвіту становить 13,7 млрд років. Його складниками є: 73 % — темна енергія, 23 % — невидима темна матерія (допоки не з'ясованої природи) і лише 4 % — видима речовина, яку можна реєструвати всіма можливими приладами, а також різні поля й випромінювання (мал. 236).

Мал. 236. Баланс речовини, темної матерії та темної енергії в нашому Всесвіті

Подальша еволюція Всесвіту залежить від природи темної енергії. Розрізняють закриті й відкриті космологічні моделі.

«Закрита» модель. Припускають, що в майбутньому розширення Всесвіту зміниться його стисненням. Відштовхуючись від загальної маси Всесвіту 1052 т, можна припустити, що приблизно через 30 млрд років він почне стискатися, а через 50 млрд років знову повернеться в сингулярний стан, з якого він виник. Настане Великий хруст, який згодом перейде у новий Великий вибух. Повний цикл розширення і стиснення Всесвіту становить близько 100 млрд років. Таким чином, Всесвіт може бути представлений як грандіозна закрита система, яка зазнає безлічі еволюційних циклів. За переходу від одного циклу до іншого деякі загальні параметри Всесвіту можуть бути змінені. Наприклад, можуть бути змінені фундаментальні фізичні константи.

Зовсім інакше постає майбутнє Всесвіту у «відкритих» космологічних моделях, які, по суті, є сценаріями «теплової смерті» Всесвіту.

Варіант 1. Прискорене розширення Всесвіту триватиме вічно. Відстані між скупченнями галактик ставатимуть дедалі більшими, порожнеча щораз глибшою, простір між ними — чимраз чорнішим. Зорі поступово витратять своє ядерне пальне, згаснуть і вже ніколи не засвітяться знову, бо газ, з якого вони утворюються, буде вичерпано. Залишаться тільки охололі колишні білі карлики, нейтронні зорі та чорні діри. Але і карлики, і нейтронні зорі також зникнуть, бо ті нейтрони й протони, з яких вони складаються, розпадуться. Приблизно через 10100 років чорні діри «випаруються» й перетворяться на випромінювання. Отак у Всесвіті зникне будь-яка структура й організація, лише необмежено довго триватиме розширення сукупності фотонів, нейтрино та вкрай розрідженого газу з електронів і позитронів, які ще залишилися. Усі «життєві сили» такого Всесвіту поступово виснажаться і замруть. Нескінченний простір, холод і темрява — ось неминучий фінал такого Всесвіту.

Варіант 2. Прискорене розширення ставатиме дедалі швидшим, і розвиток Всесвіту відбуватиметься за сценарієм, який називають «Великим розривом». Необмежене збільшення густини енергії спричинить катастрофічне зростання антигравітації, як наслідок — катастрофічне падіння гравітаційних сил і «розрив» об'єктів. Надскупчення розпадуться на окремі галактики, галактики на окремі зорі, розірветься Сонячна система, далі планети, кожна молекула, кожний атом і навіть кожна елементарна частинка.

Проте допоки фізичну природу темної енергії ще тільки з'ясовують, усе це — тільки гіпотези. Відомо тільки, що темна енергія існує і створює антигравітацію.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Поясніть суть космологічного принципу. 2. У чому відмінність між класичною ньютонівською космологією та релятивістською космологічною моделлю Всесвіту А. Ейнштейна. 3. Що таке космологічна модель Всесвіту? 4. Поясніть, чи коректно порівнювати Великий вибух і вибух звичайний. 5. Чому відомі закони фізики не можуть описати першу мить після Великого вибуху? 6. Що таке реліктове випромінювання? 7. Як виявляє себе у Всесвіті темна матерія; темна енергія?