kosmologiya

Soderzhanie:

1. Vvedenie
2. Nablyudatel'nye osnovy sovremennoi kosmologii
3. Usrednennoe raspredelenie materii. Zakony dvizheniya i fizicheskie svoistva
4. Strukturnost' vo Vselennoi i ee proishozhdenie
5. Ochen' rannyaya Vselennaya

1. Vvedenie

Kosmologiya - fiz. uchenie o Vselennoi kak celom, osnovannoe na nablyudatel'nyh dannyh i teoretich. vyvodah, otnosyashihsya k ohvachennoi astronomich. nablyudeniyami chasti Vselennoi. Teoretich. fundament K. sostavlyayut osn. fiz. teorii (teoriya tyagoteniya, teoriya el.-magn. polya, kvantovaya teoriya i dr.), empiricheskie svedeniya predostavlyayutsya ei gl. obr. vnegalakticheskoi astronomiei, a ee vyvody i obobsheniya imeyut bol'shoe obshenauchnoe i filosofskoe znachenie.

Vazhnuyu rol' v K. igraet tyagotenie, t. k. imenno ono opredelyaet vzaimodeistvie mass na bol'shih rasstoyaniyah, harakternyh dlya K., a sledovatel'no i dinamiku kosmich. materii. Naryadu s izucheniem dinamiki kosmich. materii K. rassmatrivaet ee sovr. fiz. sv-va, a takzhe ih evolyuciyu.

Veshestvo, vhodyashee v sostav zvezd, galaktik, mezhgalaktich. gaza i t. p., v proshlom imelo inye sv-va. Ono proshlo, soglasno sovr. kosmologich. predstavleniyam, stadiyu chrezvychaino vysokih plotnostei i temp-r, eshe nedostupnyh eksperimental'noi fizike. Eta stadiya otstoit ot sovremennoi na 10 - 20 mlrd. let. Po-vidimomu, v to vremya pervichnaya materiya byla raspredelena odnorodno i izotropno, bez vydelennyh oblastei ili napravlenii, i nahodilas' v sostoyanii povsemestnogo rasshireniya, vedushego k umen'sheniyu plotnosti i temp-ry. Pri temp-rah 10¹²-10¹¹ K harakternoe vremya rasshireniya (napr., vremya umen'sheniya temp-ry vdvoe) sostavlyalo tysyachnye doli sekundy. Pri ponizhenii temp-ry do ~10¹¹ K plotnost' materii (vklyuchaya izluchenie, chasticy i antichasticy) dolzhna byla umen'shit'sya do plotnosti yadernogo veshestva. S etogo momenta evolyucii stanovitsya vozmozhnym izuchenie sv-v materii na osnove tverdo ustanovlennyh yadernoi fizikoi faktov i razvitoi teorii.

Epoha, sootvetstvuyushaya temperature T » 10¹⁰-10⁸ K i vremeni rasshireniya t ~1 s, yavl., veroyatno, naibolee rannei, o k-roi est' pryamye nablyudatel'nye svidetel'stva. V tu epohu dolzhno bylo proishodit' obrazovanie yader geliya, deiteriya i dr. legkih elementov iz protonov i neitronov. Soderzhanie etih elementov v sovr. kosmich. veshestve soglasuetsya s raschetnymi znacheniyami, chto govorit o kosmologich. proishozhdenii legkih elementov (tyazhelye elementy sinteziruyutsya v zvezdah).

Posle obrazovaniya yader legkih elementov (t ~100 s) veshestvo eshe dlitel'noe vremya (ok. 1 mln. let) predstavlyalo soboi plazmu. V termodinamicheskom ravnovesii s plazmoi nahodilos' izluchenie (temp-ra veshestva, t. e, protonov, elektronov, yader legkih elementov, byla ravna temp-re izlucheniya, spektr izlucheniya - plankovskii, sm. Planka zakon izlucheniya). Vysokie plotnost' i temp-ra izlucheniya ne pozvolyali obrazovyvat'sya neitral'nym atomam (bylo mnogo fotonov, sposobnyh ionizovat' veshestvo). Posle snizheniya temp-ry do T = 4000 K elektrony smogli prisoedinit'sya k yadram elementov - nastupila t. n. epoha razdeleniya veshestva i izlucheniya (ne sovsem tochno, no koroche ee naz. epohoi rekombinacii). Fotony perestali aktivno vzaimodeistvovat' s veshestvom, nachali rasprostranyat'sya svobodno i nablyudayutsya seichas v vide ravnovesnogo mikrovolnovogo fonovogo izlucheniya (reliktovogo izlucheniya).

Veroyatno, uzhe na samyh rannih stadiyah evolyucii Vselennoi sushestvovali neznachitel'nye otkloneniya ot odnorodnosti i izotropii. V poslerekombinacionnuyu epohu vozmusheniya odnorodnosti i izotropii stali narastat' blagodarya gravitacionnoi neustoichivosti. Polagayut, chto imenno takie malye vozmusheniya plotnosti veshestva priveli v konce koncov k obrazovaniyu nablyudaemoi seichas prostranstvennoi struktury v vide galaktik i ih skoplenii.

Sovr. Vselennaya harakterizuetsya vysokoi stepen'yu odnorodnosti i izotropii lish' v bol'shih masshtabah, vklyuchayushih mnogo skoplenii galaktik, a v men'shih masshtabah, tipichnyh dlya otdel'nyh galaktik i skoplenii,- sil'noi neodnorodnost'yu i anizotropiei. Po etim prichinam K. razvivaetsya v dvuh napravleniyah. Odno iz nih, ishodya iz principov odnorodnosti i izotropii, opisyvaet krupnomasshtabnuyu strukturu sovr. Vselennoi, ee evolyuciyu i fiz. processy v rannei Vselennoi. Vtoroe napravlenie uchityvaet skol' ugodno bol'shie otkloneniya ot odnorodnosti i izotropii (ego naz. takzhe teoriei anizotropnoi neodnorodnoi Vselennoi), ono plodotvorno ispol'zuetsya pri opisanii razvitiya i obrazovaniya melkomasshtabnoi struktury Vselennoi.

Teoretich. osnovoi dlya opisaniya evolyucii veshestva i gravitac. polya yavl.: relyativistskaya (nekvantovaya) teoriya tyagoteniya i kvantovaya teoriya veshestva i izlucheniya. Pervaya iz nih opisyvaet mehanich. dvizhenie materii, vtoraya - processy izlucheniya i poglosheniya sveta, rozhdeniya i annigilyacii chastic i antichastic, yadernye reakcii i t. p. Predpolozhenie ob odnorodnosti i izotropii raspredeleniya pervichnoi materii nahodit svoe otrazhenie v modelyah odnorodnoi izotropnoi rasshiryayusheisya Vselennoi. Ih nazyvayut fridmanovskimi kosmologich. modelyami, poskol'ku pervye modeli nestacionarnoi Vselennoi byli predlozheny v 1922 g. sovetskim uchenym A. A. Fridmanom na osnove obshei teorii otnositel'nosti (teorii tyagoteniya) A. Einshteina. V etih modelyah rasshirenie Vselennoi nachinaetsya ot sostoyaniya, harakterizuyushegosya beskonechnoi plotnost'yu veshestva (ot singulyarnosti). Sv-va veshestva v etom sostoyanii neizvestny. Sushestvuyushie teorii veshestva i gravitac. polya primenimy k veshestvu, plotnost' k-rogo men'she r_Pl = ~10⁹³ g/sm³, a temp-ra nizhe T_Pl = ~ 10³² K. Eti znacheniya r i T nosyat nazvanie plankovskih. Oni polucheny iz fundamental'nyh fiz. postoyannyh: skorosti sveta s, gravitacionnoi postoyannoi G, Planka postoyannoi h i Bol'cmana postoyannoi k. Soglasno fridmanovskim kosmologich. modelyam, znacheniya T_Pl i r_Pl harakterny dlya Vselennoi, imeyushei vozrast t ~ t_Pl = ~10³² s. V etu epohu fiz. usloviya takovy, chto dlya ih opisaniya potrebuetsya eshe ne sozdannaya kvantovaya teoriya tyagoteniya.

2. Nablyudatel'nye osnovy sovremennoi kosmologii

Mir galaktik. V horosho issledovannoi oblasti prostranstva, na rasstoyaniyah do 1500 Mpk, nahoditsya nesk. milliardov zvezdnyh sistem - galaktik. Takim obrazom, nablyudaemaya oblast' Vselennoi (ee naz. takzhe Metagalaktikoi) - eto prezhde vsego mir galaktik. Bol'shinstvo galaktik vhodit v sostav grupp i skoplenii, soderzhashih desyatki, sotni i tysyachi chlenov. Nasha Galaktika prinadlezhit k Mestnoi gruppe galaktik, k-raya v svoyu ochered' primykaet k skopleniyu galaktik s centrom v napravlenii sozvezdiya Devy. Skoplenie galaktik v Deve soderzhit bolee tysyachi chlenov i imeet razmer » 3 Mpk, rasstoyanie do nego » 20 Mpk. Mestoraspolozhenie nashei Galaktiki takovo, chto raspredelenie blizhaishih galaktik vyglyadit anizotropnym - s yarko vyrazhennym prevysheniem chisla galaktik v napravlenii Devy po sravneniyu s chislom galaktik, nablyudaemyh v protivopolozhnom napravlenii. Odnako eta anizotropiya ischezaet po mere perehoda k podschetu vse bolee slabyh i, sledovatel'no, vse bolee dalekih galaktik.

S cel'yu vyyasneniya zakonomernostei prostranstvennogo raspredeleniya galaktik proizvodilis' podschety chisla galaktik v raznyh napravleniyah na nebesnoi sfere i do raznoi "glubiny", t. e. do vse bol'shih vidimyh zvezdnyh velichin. Soglasno nablyudeniyam, dlya galaktik slabee 14-i zvezdnoi velichiny i vplot' do predel'no slabyh galaktik, dostupnyh sovr. teleskopam (ok. 24^m), svoistvenno odnorodnoe prostranstvennoe raspredelenie. Vo vsyakom sluchae v ob'emah s harakternym razmerom ~ 100 Mpk, gde soderzhitsya mnogo skoplenii galaktik, sr. plotnost' r veshestva ("razmazannogo" veshestva galaktik) prakticheski sovpadaet so sr. znacheniem r po vsemu obsledovannomu prostranstvu - ob'emu s radiusom v neskol'ko tys. Mpk (» 3^.10^-31 g/sm³ s vozmozhnoi pogreshnost'yu v nesk. raz v tu ili druguyu storonu).

Krome veshestva, obrazuyushego zvezdy galaktik, v Metagalaktike est' dr. vidy veshestva i izlucheniya: neitral'nyi i ionizovannyi gaz (prezhde vsego v skopleniyah galaktik, a takzhe i mezhdu skopleniyami), pyl', kosmich. luchi i slabye magn. polya, ochen' vazhnym komponentom yavl. t. p. reliktovoe radioizluchenie (sm. p. 3). Vklad etih vidov veshestva i izlucheniya v obshuyu plotnost' energii neznachitelen. Neizvesten vklad v plotnost' energii teh vidov materii, k-rye slabo vzaimodeistvuyut s obychnym veshestvom i, sledovatel'no, trudno poddayutsya obnaruzheniyu. Osobenno vazhnym bylo by ustanovlenie plotnosti energii neitrino (bezmassovyh ili obladayushih massoi pokoya), a takzhe gravitac. voln. V mezhgalaktich. prostranstve mogut prisutstvovat' takzhe drugie, eshe ne obnaruzhennye ili dazhe poka neizvestnye vidy materii.

Odnorodnost' raspredeleniya vseh vidov materii v Metagalaktike podtverzhdaetsya podschetami dalekih radioistochnikov (oni ravnomerno zapolnyayut prostranstvo), malost'yu pekulyarnyh (t. e. sluchainyh, za vychetom sistematicheskih) skorostei galaktik, ne vhodyashih v gruppy i skopleniya, izotropiei rentg. fonovogo izlucheniya, k-roe predstavlyaet soboi izluchenie mnozhestva diskretnyh istochnikov. Nakonec, naibolee ubeditel'no svidetel'stvuet o krupnomasshtabnoi odnorodnosti veshestva i gravitac. polya vysokaya stepen' izotropii reliktovogo radioizlucheniya.

Opirayas' na eksperimental'no ustanovlennuyu odnorodnost' prostranstvennogo raspredeleniya skoplenii galaktik i dr. vidov veshestva i izlucheniya, K. rassmatrivaet Metagalaktiku kak sploshnuyu sredu, imeyushuyu odnorodnuyu plotnost', po velichine ne men'shuyu, chem plotnost' "razmazannogo" veshestva galaktik. Takoe predstavlenie o krupnomasshtabnoi strukture Vselennoi prigodno, po krainei mere, v kachestve pervogo priblizheniya.

Nestacionarnost' Vselennoi. Na nestacionarnost' okruzhayushego mira ukazyvaet evolyuciya zvezd i zvezdnyh skoplenii, processy tipa vzryvov i istecheniya veshestva iz zvezd i yader galaktik. Nestacionarnost' nablyudaemoi chasti Vselennoi proyavlyaetsya v ee rasshirenii, chto ustanovleno po sistematich. dvizheniyu dalekih galaktik.

Spektr. linii v spektrah dalekih galaktik smesheny po sravneniyu s polozheniem teh zhe linii, poluchennyh v laboratornyh usloviyah na Zemle, k krasnomu koncu spektra. Otnositel'noe izmenenie dliny volny spektr. linii (t. n. krasnoe smeshenie)

z = (l - l₀)/l₀,        (1)

gde l₀ - laboratornaya dlina volny, l- dlina volny smeshennoi linii v spektre dalekoi galaktiki. Znachenie z dostigaet 3,5 dlya dalekih kvazarov. Krasnoe smeshenie spektr. linii ob'yasnyaetsya Doplera effektom, obuslovlennym dvizheniem istochnika sveta v napravlenii ot nablyudatelya. Pri skorosti istochnika sveta v << s otnositel'noe izmenenie chastoty z » v/c. T. o., po izmerennomu z mozhno opredelit' luchevuyu skorost' udaleniya ("razbeganiya") galaktik. Krasnoe smeshenie, nablyudaemoe v spektrah vseh dalekih galaktik dlya vseh napravlenii na nebe, ukazyvaet, chto galaktiki udalyayutsya ot nashei Galaktiki i drug ot druga. Eto dvizhenie yavl. osnovnym, obshim. Na nego nakladyvayutsya malye sluchainye (pekulyarnye) dvizheniya otdel'nyh galaktik.

Rasshirenie (nestacionarnost') Metagalaktiki bylo nadezhno ustanovleno posle togo, kak amer. astronom E. Habbl v 1929 g. vyvel iz dannyh nablyudenii zakon proporcional'nosti mezhdu velichinoi z i rasstoyaniem do dalekoi galaktiki r (sm. Habbla zakon):

z = H^.r/c        (2)

Otsyuda sleduet, chto chem dal'she raspolozhena galaktika, tem s bol'shei radial'noi (luchevoi) skorost'yu ona dvizhetsya:

v = H^.r        (3)

Koeff. proporcional'nosti N naz. postoyannoi Habbla. Znachenie N ne zavisit ot napravleniya na nebesnoi sfere i ot rasstoyaniya do galaktiki. Po sovr. ocenkam, velichina N ravna ot 50 do 100 km/s na 1 Mpk. Obratnaya velichina imeet razmernost' vremeni i ravna t_H = 1/H » 10-20 mlrd. let.

Ris. 1. Proporcional'nost' logarifma skorosti udaleniya galaktik lg v = lg (cDl/l) ih vidimoi zvezdnoi velichine m = M + 5lg r - 5, gde M - abs. zvezdnaya velichina, r - rasstoyanie do galaktik, v i s v km/s (zakon Habbla).

Zakon (2) proveren dlya bol'shogo chisla galaktik, vklyuchaya samye dalekie iz nablyudaemyh. Zakon (3) bolee tochno vypolnyaetsya ne dlya otdel'nyh galaktik, a dlya ih skoplenii, t. k. pri etom usrednyayutsya sluchainye skorosti otdel'nyh galaktik skopleniya. Dispersiya skorostei galaktik v skoplenii mozhet dostigat' 1000 km/s, odnako centry skoplenii i grupp galaktik, a takzhe individual'nye galaktiki, ne vhodyashie v gruppy i skopleniya, podchinyayutsya zakonu (3) s tochnost'yu » 15% (ris. 1). Sluchainye skorosti, dopolnitel'nye k obshemu habblovskomu rasshireniyu, ne prevyshayut u nih, veroyatno, 50-100 km/s. Edinstvennym obnaruzhennym poka sistematich. dvizheniem, dopolnitel'nym k habblovskomu, yavl. dvizhenie galaktik Mestnoi gruppy v napravlenii skopleniya galaktik v Deve so skorost'yu (610±50) km/s.

Vazhnym nablyudaemym faktom yavl. otsutstvie zavisimosti postoyannoi Habbla N ot uglovyh peremennyh i ot r. Izotropiya rasshireniya, t. e. nezavisimost' nablyudaemoi kartiny rasshireniya ot napravleniya na nebesnoi sfere, rassmatrivaemaya sama po sebe, oznachaet sferich. simmetriyu s centrom v tochke nablyudeniya. Otsutstvie zavisimosti N ot r oznachaet bol'shee - odinakovost' nablyudaemoi kartiny v raznyh tochkah nablyudeniya, t. e. odnorodnost' Vselennoi. Polozhenie zemnogo nablyudatelya nichem ne vydeleno. Nablyudatel' mozhet nahodit'sya na odnoi iz udalyayushihsya galaktik, i dlya nego zakon rasshireniya takzhe budet opisyvat'sya f-loi (3). Deistvitel'no, perehod k dvizhusheisya sisteme koordinat s centrom v tochke A proizvoditsya po f-lam: r' = r - r_A, v' = v - v_A . Otnositel'no novoi (shtrihovannoi) sistemy koordinat zakon (3) imeet vid v' = v - v_A = Nr - Nr_A = Nr', t. e. prezhnii vid v = Nr'.

Otsutstvie vydelennyh napravlenii na nebesnoi sfere osobenno nadezhno podtverzhdaetsya izotropiei temp-ry reliktovogo radioizlucheniya. Fotony reliktovogo izlucheniya, prihodya k nam, pokryvayut rasstoyaniya, v nesk. raz prevyshayushie rasstoyaniya do dalekih galaktik, i pri etom temp-ra izlucheniya, opredelennaya dlya raznyh napravlenii, okazyvaetsya odinakovoi s tochnost'yu do desyatoi doli %.

Sleduet podcherknut', chto smeshenie z, opredelyaemoe f-loi (1), imeet fiz. smysl pri skol' ugodno bol'shih z, odnako emu mozhno sopostavlyat' skorost' udaleniya v  i soglasno ravenstvu z = v/c tol'ko pri malyh v/c i z, t. e. kogda mozhno prenebrech' z² po sravneniyu s z. Pri z l pol'zovat'sya f-loi z = v/c nel'zya. Napr., nek-rye iz kvazarov imeyut z > 2. Razumeetsya, eto ne oznachaet, chto oni udalyayutsya ot nas so skorost'yu > 2s. Soglasno spec. teorii otnositel'nosti, z stremitsya k beskonechnosti pri stremlenii skorosti istochnika k skorosti sveta (v ® c, l ® Ґ, z ® Ґ). Pri bol'shih z skazyvaetsya takzhe gravitac. smeshenie spektr. linii, obuslovlennoe gravitac. polem veshestva na puti sledovaniya sveta ot istochnika k nablyudatelyu. Polnoe opisanie yavleniya krasnogo smesheniya daet relyativistskaya K. (sm. p. 5).

Reliktovoe radioizluchenie. Mikrovolnovoe fonovoe izluchenie Vselennoi, kotoroe nazyvaetsya takzhe reliktovym izlucheniem, bylo otkryto v 1965 g. amer. astronomami A. Penziasom i R. Vil'sonom. Ot izlucheniya zvezd, galaktik i dr. astronomich. istochnikov reliktovoe izluchenie otlichaetsya dvumya vazhneishimi sv-vami: uglovoi izotropiei, t. e. odinakovoi intensivnost'yu ot vseh uchastkov neba, i plankovskoi (ravnovesnoi) formoi spektra. Ego temp-ra T » 3 K. Dlya K. vazhen kak sam fakt sushestvovaniya fonovogo radioizlucheniya, tak i vozmozhnost' issledovaniya s ego pomosh'yu fiz. processov vo Vselennoi i ee struktury.

Spektr reliktovogo izlucheniya horosho izuchen v diapazone dlin voln ot 3 mm do 21 sm. Intensivnost' reliktovogo izlucheniya v etom diapazone ne zavisit ot napravleniya na nebesnoi sfere s tochnost'yu do desyatoi doli % (uglovaya izotropiya izlucheniya). Dannye ob uglovoi izotropii neskol'ko razlichayutsya v zavisimosti ot rassmatrivaemogo uglovogo masshtaba. V melkih masshtabah (ot 3 do 150') sushestvuyut lish' ogranicheniya na vozmozhnuyu anizotropiyu v vide neravenstva dT/T < 10^-4 (gde dT - otklonenie temp-ry ot ravnovesnogo znacheniya T). V masshtabe » 30^o dT/T < (3-5)^.10^-4. Nakonec, v bol'shih uglovyh masshtabah obnaruzhena slabaya dipol'naya anizotropiya na urovne dT/T » 10^-3. Eto razlichie temp-r odnoznachno interpretiruetsya kak rezul'tat dvizheniya Solnechnoi sistemy otnositel'no fona reliktovogo izlucheniya s v » 420 km/s (sm. Dvizhenie Solnca). Temp-ra reliktovogo izlucheniya, idushego iz oblasti na nebesnoi sfere, v napravlenii k-roi dvizhetsya Solnce, neskol'ko vyshe sr. znacheniya, a iz diametral'no protivopolozhnoi oblasti neba - neskol'ko nizhe. Obnaruzheny dazhe godovye variacii temp-ry, svyazannye s dvizheniem Zemli vokrug Solnca.

Plotnost' energii ravnovesnogo reliktovogo izlucheniya sostavlyaet 5^.10^-13 erg/sm³. Izluchenie s takimi harakteristikami ne mozhet byt' izlucheniem zvezd s termoyadernymi istochnikami energii ili mnozhestva diskretnyh istochnikov (kvazarov i dr.), nahodyashihsya na kosmologich. rasstoyaniyah. V to zhe vremya interpretaciya etogo izlucheniya kak sohranivshegosya ot predshestvuyushei plotnoi i goryachei stadii razvitiya Metagalaktiki (po etoi prichine ono i bylo nazvano reliktovym) yavl. sovershenno estestvennoi i soglasuetsya s dr. eksperimental'nymi i teoretich. svedeniyami. Plankovskii harakter spektra fonovogo izlucheniya soglasuetsya s vyvodom o ego reliktovom proishozhdenii, poskol'ku v processe rasshireniya Vselennoi izluchenie so spektrom, pervonachal'no sootvetstvovavshim zakonu Planka, ostaetsya plankovskim, umen'shaetsya lish' ego temp-ra. Esli R(t) harakterizuet razmer k.-l. bol'shogo rasshiryayushegosya ob'ema v Metagalaktike, to plotnost' energii izlucheniya padaet s rasshireniem proporcional'no R^-4, poskol'ku umen'shaetsya sr. koncentraciya fotonov (~R^-3) i energiya (chastota) kazhdogo iz nih (~R^-1). Temp-ra izlucheniya ubyvaet, sledovatel'no, kak

T ~ R^-1             (4)

Na rannih stadiyah rasshireniya Vselennoi, v epohu vysokih temp-r, ne sushestvovalo neitral'nyh atomov i molekul, t. k. energiya fotonov i teplovogo dvizheniya chastic prevyshala energiyu svyazi atomov i molekul. Po etoi prichine veshestvo v celom nahodilos' v sostoyanii plazmy, i ravnovesnyi spektr reliktovogo izlucheniya sformirovalsya blagodarya vzaimodeistviyu izlucheniya s plazmoi. Kogda temp-ra plazmy i izlucheniya snizil