Учебник по Астрономии (уровень стандарта). 11 класс. Пришляк

§ 16. Эволюция Вселенной

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• о Большом Взрыве, с которого началось расширение Вселенной;

• могут ли существовать параллельные миры;

• о возможных сценариях эволюции Вселенной в будущем.

1. Большой Взрыв и возраст Вселенной

Астрономические исследования, которые проводились в XX в., помогли астрономам понять суть разбегания галактик, которое свидетельствует о том, что сама Вселенная не остается постоянной во времени — она меняет свои параметры. Если расстояние между галактиками сейчас увеличивается, то раньше они находились ближе друг к другу. При помощи постоянной Хаббла можно подсчитать, когда все галактики до начала расширения могли находиться в одной точке. Моментом начала расширения Вселенной стал Большой Взрыв, который связан с возрастом Т Вселенной: Т = 1/Н.

По современным данным, постоянная Хаббла Н ≈ 70 км/(с·Мпк), то есть Большой Взрыв мог произойти примерно 15 млрд лет назад. Если учесть, что возраст нашей Галактики не может быть больше возраста самых старых шаровых звездных скоплений, которые существуют уже более 13 млрд лет, то эту цифру можно считать нижней границей возраста нашей Вселенной.

Большой Взрыв — процесс, который состоялся во время зарождения Вселенной, когда началось загадочное расширение космического пространства и образование элементарных частиц, атомов и крупных тел — планет, звезд, галактик

На первый взгляд кажется, что для построения теории эволюции Вселенной большое значение имеет определение места Большого Взрыва. Если бы Большой Взрыв был процессом, напоминающим взрыв бомбы, то можно было бы определить место этого события. В действительности расширение Вселенной включает не только разлет самих галактик относительно космического пространства, но и изменение параметров самой Вселенной. Иными словами, галактики не летят относительно остальной Вселенной, потому что сама Вселенная тоже расширяется. Таким образом, конкретного места, где произошел Большой Взрыв, во Вселенной не существует, равно как нет центра, от которого удаляются галактики.

2. Главные эры в истории Вселенной

Вселенная в начале существования имела столь маленькие размеры, что тогда не было ни галактик, ни звезд и даже еще не существовали элементарные частицы. Плотность и температура новорожденной Вселенной достигали таких фантастических значений, что ученые не могут определить, в каком состоянии при этом находилась материя. Этот начальный момент рождения Вселенной называют сингулярностью (от лат. — единственный). Затем плотность и температура Вселенной начали снижаться и стали образовываться элементарные частицы, атомы и галактики.

Сингулярность — начальный момент зарождения Вселенной, когда плотность и температура материи достигали чрезвычайно больших значений

Всю историю нашей Вселенной можно разделить на четыре эры — адронная, лептонная, излучения и вещества (см. таблицу).

Эра Вселенной

Возраст Вселенной, лет

Фазы эволюции

Температура, К

Плотность, кг/м3

Вещества

1,5 · 1010

Современная эпоха

2,7

5 · 10-27

1,2 · 1010

Возникновение жизни на Земле

1010

Формирование Солнечной системы

6 · 109

Образование первых звезд

5 · 109

Образование нашей Галактики

10-26

109

Квазары

3 · 108

Появление облаков водорода и гелия

108

Образование атомов водорода и гелия

10-13

3 · 105

Формирование вещества. Вселенная становится нейтральной и темной

3

10-10

Излучения

300 с

Конец эры излучения

10

10 с

Образование ядра Дейтерия и Гелия

104

1016

Лептонная

10-4 с

Электроны и позитроны в состоянии теплового равновесия с излучением

1010

Адронная

10-7 с

Разделение электромагнитного и слабого взаимодействия

1015

10-10 с

Образование нейтронов и протонов

1027

10-32 с

Отделение сильного взаимодействия

10-43 с

Отделение сил гравитации

1032

1095

Сингулярность

0

Все четыре фундаментальные силы объединены в единую. Размеры Вселенной приближаются к нулю

Для любознательных

С философской точки зрения между элементарными частицами и электромагнитными волнами нет существенной разницы, ибо все сущее в природе есть материя. Но с физической точки зрения принципиальная разница между этими видами материи состоит в том, что скорость элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов), из которых образованы звезды, планеты и, наконец, мы с вами, никогда не сможет достигнуть скорости света, в то время как кванты электромагнитных волн никогда не смогут иметь скорость, меньшую чем скорость света.

3. Реликтовое фоновое излучение

Те кванты электромагнитного излучения, которые оторвались от элементарных частиц в эру излучения, доходят до нас со всех сторон и отвечают электромагнитному излучению черного тела с температурой 2,7 К (рис. 16.1). В начале существования кванты имели большую энергию, поэтому излучение происходило в высокочастотной части спектра электромагнитных волн в гамма-диапазоне. Со временем гамма-кванты теряли энергию, поэтому длина электромагнитных волн увеличивалась, и через 105 лет после Большого Взрыва максимум излучения приходился уже на видимую часть спектра — тогда молодая Вселенная действительно выглядела ярким огненным шаром и была похожа на взрыв ядерной бомбы. Через 10 млн лет максимум излучения уже находился в инфракрасной части спектра, а через 14 млрд лет средняя температура Вселенной уменьшилась до 2,7 К, поэтому сейчас максимум излучения находится в радиодиапазоне на волне длиной 1 мм. Такое излучение поступает на Землю отовсюду, его интенсивность и частота не зависят от направления, и это свидетельствует о том, что средняя температура Вселенной повсеместно одинакова. Интересно, что еще 60 лет назад уроженец города Одессы Г. Гамов (США) предсказал существование горячей ранней Вселенной, но зарегистрировали эти реликтовые электромагнитные волны только в 1965 г.

Рис. 16.1. Чем дальше от Земли находится космический объект, тем более молодым мы его видим, потому что свет от него достигает поверхности Земли через миллиарды лет. На границе видимой части Вселенной с расстояния 10 млрд св. лет поступает излучение, которое образовалось во времена Большого Взрыва. На расстоянии 5 млрд св. лет мы видим квазары, из которых позже сформируются галактики

Реликтовое излучение — кванты света, образовавшиеся 15 млрд лет назад. Они отделились от элементарных частиц и начали самостоятельное распространение во Вселенной. С помощью этого излучения измерили среднюю температуру Вселенной 2,7 К.

4. Будущее Вселенной

Гравитационное взаимодействие вещества в будущем может уменьшить скорость расширения Вселенной. Оказывается, если средняя плотность Вселенной имеет критическое значение 5 · 10-27 кг/м3, а постоянная Хаббла H ≈ 70 км/(с·Мпк), расширение может происходить вечно. Расчеты показывают, что будущая судьба нашей Вселенной зависит от значения настоящей средней плотности относительно критической плотности ρ0. Могут быть три сценария будущего развития событий:

1) ρ < ρ0; 2) ρ > ρ0; 3) ρ = ρ0·

Рассмотрим эти модели возможной эволюции нашего мира:

1. Если средняя плотность Вселенной р<р0, то галактики будут разлетаться вечно, и в будущем температура фонового излучения постепенно будет снижаться, приближаясь к абсолютному нулю, а максимум излучения со временем будет смещаться в сантиметровый и метровый диапазоны электромагнитных волн (рис. 16.2). Такую Вселенную называют открытой, она не имеет границ в пространстве и может существовать вечно, постепенно превращаясь в ничто.

Рис. 16.2. В открытой Вселенной справедлива неэвклидова геометрия, когда сумма углов в треугольнике меньше 180°

2. Если в космосе окажется значительная скрытая масса и средняя плотность будет ρ > ρ0 , тогда расширение Вселенной через некоторое время прекратится. Такую Вселенную называют закрытой — она не имеет предела в пространстве, но имеет начало и конец во времени (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Для закрытой Вселенной справедлива неэвклидова геометрия, когда сумма углов в треугольнике больше 180°

Через несколько миллиардов лет разбегание галактик может остановиться, а затем начнется сжатие Вселенной, потому что гравитационная сила заставит галактики сближаться. Сближение галактик приведет к трагическим последствиям для живых организмов, поскольку энергия фонового излучения и температура Вселенной будут расти (рис. 16.4). Небо загорится сначала красным цветом, а потом станет синим. Температура возрастет настолько, что все живые существа погибнут, потом исчезнут звезды, планеты, элементарные частицы и Вселенная вновь превратится в вещество с чрезвычайно высокой плотностью.

Рис. 16.4. Эволюция закрытой Вселенной. Такой мир увеличивается до определенных максимальных размеров, после чего галактики начнут сближаться. Начало и конец такой Вселенной имеют бесконечно большую температуру и плотность

3. Существует также вероятность того, что средняя плотность Вселенной равна критической плотности ρ = ρ0. В этом случае безграничная и бесконечная Вселенная имеет нулевую кривизну, и для нее справедлива геометрия Эвклида (рис. 16.5). Галактики будут разлетаться вечно, температура Вселенной будет вечно приближаться к абсолютному нулю. Этот сценарий эволюции интересен еще и тем, что при нем общая энергия Вселенной остается равной нулю: Ек + Еп = 0. То есть если считать потенциальную энергию притяжения отрицательной, а кинетическую энергию движения — положительной, то Вселенная могла возникнуть из ничего в физическом вакууме как удивительное возмущение, поэтому со временем она тоже может превратиться в ничто.

Рис. 16.5. В геометрии Эвклида параллельные прямые не пересекаются, а сумма углов в треугольнике равна 180°

Для любознательных

Современные наблюдения подтверждают существование во Вселенной скрытой массы (так называемой темной материи), которая сосредоточена в телах, излучающих незначительную энергию в виде электромагнитных волн — черные дыры, пульсары, нейтринное излучение, гравитационные волны и т. д. Астрономы, занимающиеся проблемами космологии, предложили гипотезу о существовании нового класса элементарных частиц, которым дали такое условное название — Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы (СВМЧ). Если гипотезы о скрытой массе подтвердятся, то средняя плотность Вселенной может быть больше критической и будущая эволюция Вселенной будет происходить по сценарию, который изложен в п. 2 (рис. 16.3, 16.4). Такая Вселенная напоминает сказочную птицу Феникс, которая периодически сгорает, а затем вновь возрождается из пепла.

Последние исследования движения звезд в галактиках подтверждают гипотезу о существовании класса элементарных частиц со скрытой массой, получивших название темная материя. Кроме того выявлено, что в межгалактическом пространстве существуют сильные поля неизвестной природы, которые астрономы назвали темная энергия. Новейшие гипотезы предполагают, что в наше время с помощью телескопов мы наблюдаем только 5% материи Вселенной, а 95% приходится на загадочные поля темной энергии и темной материи, которая не излучает электромагнитные волны.

Выводы

Эволюция Вселенной началась с Большого Взрыва чрезвычайно плотной материи 13—20 млрд лет назад, когда произошло загадочное расширение космического пространства. Об этом свидетельствует разбегание галактик, которое продолжается до сих пор, и содержание гелия (25%) и водорода (75%) в веществе. Чрезвычайно высокую температуру молодой Вселенной подтверждает реликтовое электромагнитное излучение. Будущее Вселенной зависит от средней плотности вещества, которое взаимодействует по закону всемирного тяготения. Возможно, что Вселенная является открытой и бесконечной, и ее расширение будет продолжаться вечно. Но если средняя плотность вещества во Вселенной больше, чем некоторая критическая величина, то такая Вселенная может периодически расширяться, а потом сжиматься.

Тесты

1. Что означает в астрономии термин «Большой Взрыв»?

А. Взрыв новой звезды. Б. Взрыв ядра галактики. В. Столкновение галактик. Г. Момент, когда началось расширение космического пространства. Д. Момент, когда образовались галактики.

2. Когда произошел Большой Взрыв?

А. 10 лет назад. Б. 2011 лет назад. В. 1 млн лет до н. э. Г. 1 млрд лет до н. э. Д. 15 млрд лет до н. э.

3. Когда образовалась Солнечная система?

А. 6000 лет до н. э. Б. 100000 лет до н. э. В. 1 млн лет до н. э. Г. 5 млрд лет до н. э. Д. 15 млрд лет до н. э.

4. В каком месте космоса произошел Большой Взрыв?

А. В центре Вселенной. Б. В ядре нашей Галактики. В, В скоплении галактик в созвездии Девы. Г. Везде, потому что галактики не летят относительно остальной Вселенной, ведь само пространство тоже расширяется. Д. В другом измерении за пределами нашей Вселенной.

5. Чему равна средняя температура Вселенной?

А. 0 °С. Б. 0 К. В. -270 °С. Г. 2,7 К. Д. -300 °С. Е. 300 К.

6. С какого события началось расширение Вселенной?

7. О чем свидетельствует реликтовое излучение Вселенной?

8. Галактика находится на расстоянии 100 млн ПК. Вычислите, сколько лет летит свет от нее до Земли.

Диспуты на предложенные темы

9. Какая судьба закрытой Вселенной?

10. Что ждет в будущем открытую Вселенную?

11. С какой скоростью удаляется от нас галактика, находящаяся на расстоянии 109 св, лет от Земли?

Задания для наблюдений

12. Можно ли с помощью школьного телескопа увидеть, что галактики от нас удаляются?

Ключевые понятия и термины:

Большой Взрыв, открытая Вселенная, закрытая Вселенная, параллельные миры, пульсирующая Вселенная, реликтовое фоновое излучение, сингулярность.