Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

Розділ 5. Всесвіт

Всесвіт — весь матеріальний світ, різноманітний за формами, що їх набуває матерія та енергія, включаючи всі галактики, зорі, планети та інші космічні тіла. Всесвіт такий великий, що його розміри важко уявити. Всесвіт, який досліджують астрономи, — частина матеріального світу, який простягається на 1,6 · 1024 км, і нікому не відомо, наскільки він великий за межами видимої частини. Частково про це ви дізнаєтесь у цьому розділі.

§ 27. Всесвіт. Проблеми космології

Галактики, як і зорі, утворюють групи й скупчення. Відомо близько 100 000 галактик у нашому місцевому надскупченні, а загальна кількість у всьому видимому Всесвіті оцінюється у 100-200 млрд галактик. Близько 50 найближчих галактик, з яких наймасивніші — наша Галактика й Туманність Андромеди, утворюють систему галактик розмірами кілька сотень кілопарсеків, що має назву Місцева група галактик.

Великі скупчення галактик групуються в системи галактик. Вони містять до тисячі галактик, і їхній розмір становить кілька мегапарсеків. Найближче до Землі 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. 5.1).

Мал. 5.1

Найбільш віддалене скупчення галактик, до якого визначено відстань (5200 Мпк), розміщене 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 місцева група галактик. Загальне число галактик нашого надскупчення, крім карликового, — близько 100 000. Нині виявлено близько 60 надскупчень. Скупчень більш високого рангу не виявлено.

Надскупчення й скупчення галактик утворюють у просторі волокноподібні структури, що нагадують бджолині стільники (мал. 5.2).

Мал. 5.2

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 більше як 300 Мпк дорівнює 3 · 10-28 кг/м3. Це і є середнє значення густини світлої речовини в спостережуваній частині Всесвіту, тобто у великих масштабах Всесвіт у середньому однорідний.

Космологія — наука про Всесвіт у цілому, про найзагальніші закони його будови й розвитку.

Це молода й водночас найпривабливіша галузь астрономії. Вона використовує такі поняття, як простір і час, які є не тільки фізичними, але й філософськими категоріями. На її «полі» впродовж століть ведеться запекла боротьба між матеріалістичним та ідеалістичним світоглядами.

Загальні закономірності розвитку Всесвіту вивчаються за допомогою космологічних моделей. Тобто виводяться рівняння, за якими визначається зміна із часом відстані між двома довільно взятими матеріальними об’єктами у Всесвіті (двома галактиками), а також зміна із часом середньої температури й густини речовини. При цьому, як правило, виходять з так званого космологічного принципу: що Всесвіт є однорідним та ізотропним, тобто властивості Всесвіту для кожного заданого моменту часу однакові в усіх його точках і в усіх напрямках.

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 в спектрах галактик. Всесвіт перебуває в стані приблизно однорідного й ізотропного розширення. Однорідність означає однаковість усіх властивостей матерії всюди в 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).

У 1922-1924 рр., досліджуючи релятивістські моделі Всесвіту та розв’язавши рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, учений довів, що Всесвіт не може бути статичним. Результати досліджень 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 червоне зміщення, яке пропорційне відстані. Це підтвердив у 1929 р. Едвін Габбл на підставі астрономічних спостережень: спектральні лінії в спектрах галактик виявилися зміщеними до червоного кінця спектра, що свідчить про розбігання галактик.

З розрахунків Фрідмана випливали три можливих наслідки: 1) Всесвіт та його простір розширюються із часом; 2) Всесвіт через певний час почне стискатися; 3) у Всесвіті повторюються через величезні інтервали часу цикли стискання й розширення.

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.

Якщо ми візьмемо навколо Сонця невеликий об’єм, наприклад куб зі стороною 10 пк, то в ньому може виявитися кілька зір і міжзоряна плазма, а в сусідніх 10 пк3 ми можемо не знайти жодної зорі. Це свідчить про нерівномірність заповнення речовиною найближчого до нас простору. Зорі об’єднуються в галактики, а галактики — у скупчення, які також розташовані нерівномірно. Середня відстань між скупченнями становить близько 30 Мпк. Отже, і в таких об’ємах Всесвіт неоднорідний. Але якщо ми візьмемо куб із стороною 100 Мпк, то побачимо, що в будь-якому місці Всесвіту всередині таких об’ємів кількість галактик та їхніх скупчень буде майже однаковою.

«Розмазавши» подумки всі галактики по цих об’ємах, ми отримаємо для кожного з них однакову середню густину речовини. Це приводить до важливого висновку: у великих масштабах Всесвіт однорідний і значення середньої густини речовини в ньому — це один з найважливіших параметрів.

Проте визначити зі спостережень справжню середню густину Всесвіту виявляється дуже складно. З астрономічних спостережень випливає, що середня густина всієї видимої речовини — зір, пилу, газу, а також випромінювання — не перевищує 10 % від критичної густини. Отже, крім речовини, яка спостерігається, у Всесвіті, без сумніву, є загадкова «прихована», або темна, речовина, яка нічим не проявляє себе, крім гравітації. Її маса в багато разів перевищує масу видимої речовини.

За останні роки астрономи отримали цілий ряд прямих вказівок на те, що в основному саме ця темна речовина заповнює Всесвіт. Вона утворює протяжні невидимі темні гало галактик і міститься в міжгалактичному просторі, концентруючись біля скупчень галактик. Яка природа цієї речовини? Можливо, це поки що не відкриті елементарні частинки, а можливо, вакуум має такі властивості, що робить свій внесок у повну густину матерії. Це можуть бути й звичайні несамосвітні тіла невеликої маси, проміжні між зорями й великими планетами. Може бути й «будівельне сміття», що залишилось після епохи утворення галактик. Хоч би як там було, виміряти масу «прихованої» речовини — завдання надзвичайно складне. Це найважливіше космологічне питання досі залишається відкритим.

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. Наймовірніше значення середнього віку Всесвіту — близько 16 млрд років. Це значення не суперечить оцінкам віку найстаріших зір.

Реальний Всесвіт безмежний і ніде не закінчується. Якщо спостерігач буде рухатися, то його спостережуваний «горизонт» буде відсуватися все далі. Через скінченність швидкості поширення світла значення червоного зміщення у спектрі далекої галактики є водночас і мірою відстані до неї, і мірою часу, який минув відтоді, коли вона випустила той сигнал, що ми зараз сприймаємо. Спостерігаючи найвіддаленіші галактики, ми зазираємо в їхнє минуле, бо бачимо їх такими, якими вони були мільйони й мільярди років тому.

Жорж Леметр

В основі сучасної астрономічної картини світу про еволюцію Всесвіту лежить модель «гарячого Всесвіту». Відповідно до цієї теорії на ранніх стадіях розширення Всесвіт характеризувався не тільки високою густиною речовини, але й 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.

Георгій Гамов

Згідно із цією теорією, 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. З його розширенням 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 й 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 в дію вступили гравітаційні сили. Вони стали переважати над всіма 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. До яких висновків про стаціонарність Всесвіту дійшов Фрідман?
  • 4. Опишіть модель гарячого Всесвіту.
  • 5. Що розуміють під закритою та відкритою моделями Всесвіту?

Опишіть основні ери в історії Всесвіту.