§ 43. Происхождение и эволюция Вселенной

Определения и обозначения

Космология — раздел астрономии, изучающий происхождение, строение и эволюцию Вселенной. Её модели не являются догадками: они опираются на наблюдения и проверенные физические законы. Благодаря этому можно сопоставлять нынешние свойства космоса с его возможным прошлым.

Вселенная — всё пространство и время, материя и энергия, доступные изучению. В космологии это понятие относится не к отдельной галактике или области, а к Вселенной как целому. Такое определение задаёт масштаб вопросов: например, как меняется пространство и как формировалась его крупномасштабная структура.

Большой взрыв — модель раннего горячего и плотного состояния Вселенной и её последующего расширения. Это не взрыв вещества в уже существующем пространстве: речь идёт об изменении самого пространства. Модель нужна, чтобы объяснить, почему расширение сегодня сочетается со свидетельствами более горячего и плотного прошлого.

Реликтовое излучение — электромагнитное излучение ранней Вселенной, дошедшее до нас после её охлаждения и расширения. Его измеряемые свойства позволяют изучать эпоху, предшествовавшую появлению звёзд. Поэтому это излучение служит одним из главных подтверждений горячего прошлого Вселенной.

Как это устроено

Далёкие галактики в среднем удаляются от нас, и это заключают, в частности, по смещению их спектральных линий. Если усреднить картину на достаточно больших масштабах, расстояния между галактиками растут. Отдельные галактики могут быть связаны гравитацией, но в масштабах Вселенной наблюдается общее расширение.

Если мысленно проследить расширение назад, расстояния между областями становятся меньше. При сжатии того же количества вещества температура и плотность растут, поэтому прошлое Вселенной описывают как более горячее и плотное. Так возникает модель эволюции пространства, а не картина разлёта обломков из центра в пустоту.

Закон Хаббла записывают как v = H₀r: скорость удаления далёкой галактики пропорциональна расстоянию до неё. Например, при одинаковом H₀ галактика вдвое дальше будет удаляться примерно вдвое быстрее. Это соотношение описывает расширение на больших масштабах, а не одинаковую скорость всех галактик.

При расширении Вселенная остывала, потому что её объём увеличивался, а энергия излучения на единицу объёма уменьшалась. На ранних этапах существовали элементарные частицы, затем появились лёгкие атомные ядра. Позже электроны соединились с ядрами и образовали атомы, так что вещество стало в основном нейтральным.

До образования атомов заряженные частицы постоянно взаимодействовали с излучением, поэтому оно не могло свободно распространяться на большие расстояния. Когда возникли атомы, взаимодействий стало значительно меньше, и излучение отделилось от вещества. По мере последующего расширения его длина волны увеличивалась, а температура снижалась; это излучение мы называем реликтовым.

Вещество ранней Вселенной было распределено не идеально равномерно. Гравитация притягивала вещество к областям чуть большей плотности, постепенно усиливая неоднородности. Так сформировались звёзды, галактики и их скопления, тогда как расширение Вселенной продолжается и сегодня.

Основные этапы эволюции Вселенной

Читайте строки таблицы как последовательность: расширение приводит к охлаждению, а охлаждение позволяет происходить новым изменениям вещества и излучения. Последний столбец показывает, какие наблюдения помогают проверять представления о каждом этапе. Некоторые свидетельства относятся к нескольким этапам сразу, потому что наблюдаемая картина зависит от всей истории расширения.

Разбор задач

Задача 1. Галактика находится на расстоянии 100 Мпк. Оцените скорость её удаления, если H₀ = 70 км/(с·Мпк). Решение:

1. Выбираем закон Хаббла: v = H₀r. Он связывает скорость удаления с расстоянием и применим здесь к далёкой галактике.

2. Подставляем данные: v = 70 км/(с·Мпк) · 100 Мпк. Мегапарсеки сокращаются, поэтому результат выражается в километрах в секунду.

3. Вычисляем: v = 7000 км/с. Это оценка скорости удаления, а не скорость движения галактики относительно локального пространства.

Ответ: 7000 км/с.

Задача 2. Реликтовое излучение имеет современную температуру около 2,7 К. Во сколько раз масштаб Вселенной был меньше, когда температура излучения составляла 27 К? Решение:

1. При расширении длина волны фотонов растёт, а температура излучения обратно пропорциональна масштабу Вселенной: T ∝ 1/a. Значит, более высокая температура соответствует меньшему масштабу.

2. Сравниваем температуры: 27 К / 2,7 К = 10. При температуре 27 К масштаб был в 10 раз меньше современного.

3. Проверяем направление ответа: ранняя Вселенная была горячее и имела меньший масштаб, поэтому полученное отношение физически согласуется с моделью.

Ответ: в 10 раз.

Задача 3. Сравните модели: галактики разлетаются из центра в неподвижное пространство или расширяется само пространство. Какая модель согласуется с однородным расширением и наблюдениями? Решение:

1. В модели обычного разлёта центр был бы особой точкой, а удалённость от него определяла бы картину движения. Наблюдатели в разных галактиках тогда не должны были бы видеть одинаковую общую закономерность.

2. При расширении пространства расстояния между удалёнными галактиками растут для наблюдателей в разных галактиках. Закон Хаббла связывает скорость удаления с расстоянием до наблюдателя, не задавая единственного центра.

3. Поэтому однородное расширение согласуется со второй моделью. Это не исключает локальных движений галактик, но они не заменяют общую картину расширения.

Ответ: с наблюдениями согласуется модель расширения самого пространства.

Типичные ошибки

• Представлять Большой взрыв как обычный взрыв из точки в окружающую пустоту — значит путать расширение пространства с движением вещества в уже готовом пространстве. Такую картину легко вообразить по аналогии с привычными взрывами, но она вводит несуществующее внешнее пространство. Проверка: спросите себя, что именно расширяется в космологической модели; ответ — расстояния и само пространство.

• Считать, что закон Хаббла задаёт одинаковую скорость всем галактикам, — ошибка: скорость зависит от расстояния. Заблуждение возникает из-за краткой формулировки «галактики удаляются». Проверка: подставьте в v = H₀r два разных значения r и сравните скорости.

• Называть реликтовое излучение светом звёзд ранней Вселенной неверно: оно возникло до появления звёзд. Его связывают с эпохой, когда после образования атомов излучение стало свободно распространяться. Проверка: расположите события по времени — сначала отделение излучения, позднее формирование звёзд.

• Делать вывод, что галактики разлетаются из центра, — значит переносить свойства взрыва на расширение Вселенной. Это представление допускает выделенную точку, тогда как однородная модель не выделяет центр расширения. Проверка: представьте наблюдателя в другой галактике — он также увидит удаление далёких галактик.

Связь с другими темами

Для понимания наблюдений за галактиками полезен эффект Доплера: по смещению спектральных линий судят об их удалении. Нужно также вспомнить, что энергия фотона связана с его длиной волны, а температура характеризует тепловое излучение. Эти идеи помогают понять, почему растяжение волн меняет свойства реликтового излучения.

Тема связывает наблюдательную астрономию с физическими законами: от измерения расстояний и спектров переходят к моделям эволюции космоса. Она подготавливает к изучению строения галактик и космических расстояний. Позже эти знания пригодятся при обсуждении тёмной материи и тёмной энергии.

Что запомнить

• Вселенная расширяется: на больших масштабах расстояния между галактиками растут.
• Закон Хаббла связывает скорость удаления галактики с расстоянием до неё: v = H₀r.
• Большой взрыв — модель эволюции расширяющейся Вселенной из горячего и плотного состояния.
• В ранней Вселенной температура и плотность были значительно выше, чем сейчас.
• Реликтовое излучение — наблюдаемое свидетельство горячего прошлого Вселенной.
• Галактики и крупномасштабная структура сформировались под действием гравитации.