"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Вселенная не является неизменной: галактики удаляются друг от друга, а пространство между ними расширяется. Наблюдаемое красное смещение показывает это расширение, а реликтовое излучение сохраняет сведения о горячем и плотном прошлом Вселенной. Из этих фактов возникла модель Большого взрыва — представление о начале расширения Вселенной и её последующей эволюции от раннего горячего состояния к образованию атомов, звёзд и галактик.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Большой взрыв — модель, по которой Вселенная возникла из очень горячего и плотного состояния и с тех пор расширяется. Это не взрыв вещества в заранее существовавшем пространстве, а начало расширения самой Вселенной. Понятие нужно, чтобы объяснить её прошлое и связь между наблюдаемым расширением и ранними условиями.
Расширение Вселенной — увеличение расстояний между далёкими галактиками. Галактики не обязаны лететь через неподвижное пространство: меняется само пространство между ними. Это понятие позволяет описывать разбегание галактик как единый космический процесс.
Красное смещение — смещение линий в спектре удалённого объекта к красному краю спектра. Для далёких галактик оно означает, что световые волны растянулись при удалении объекта и расширении пространства. По величине смещения можно судить о направлении движения и сравнивать скорость удаления галактик.
Реликтовое излучение — излучение ранней Вселенной, дошедшее до нас. Оно возникло, когда Вселенная остыла, образовались атомы и свет получил возможность распространяться на большие расстояния. Его обнаружение важно потому, что даёт прямое наблюдаемое свидетельство горячего прошлого Вселенной.
В спектрах галактик видны линии, соответствующие определённым химическим элементам. Сравнивая их с лабораторными спектрами, обнаруживают, что у далёких галактик линии часто смещены к красному краю. Это означает увеличение длины волны света; причиной служит удаление источника и растяжение волн при расширении пространства. Поэтому по красному смещению делают вывод о движении галактики от наблюдателя.
Наблюдения показывают: в среднем далёкие галактики удаляются быстрее, чем близкие. Такая зависимость естественна, если увеличиваются расстояния между самими участками пространства, расположенными между галактиками. Поэтому нельзя представлять картину как полёт всех галактик из одной точки в пустоту. На поверхности надувающегося шара каждая точка удаляется от других, хотя отдельного центра на этой поверхности нет; это только наглядная аналогия расширения.
Если расстояния между галактиками сейчас растут, то в прошлом они были меньше. При мысленном движении назад во времени вещество и излучение оказываются собранными в меньшем объёме, поэтому плотность и температура были выше. Такой вывод приводит к модели Большого взрыва: Вселенная имела горячее плотное начало и затем расширялась и остывала. Модель описывает раннюю эволюцию, а не взрыв в некоторой внешней пустоте.
На ранних этапах Вселенная состояла из горячего плотного вещества и излучения, а частицы постоянно взаимодействовали со светом. По мере остывания образовались атомы, и вещество стало прозрачнее для электромагнитного излучения. Свет, освободившийся в этот период, продолжает приходить со всех направлений и наблюдается как реликтовое излучение. Позднее сила тяготения собрала неоднородности вещества в облака, из которых возникли звёзды, галактики и их скопления.
В таблице сначала указано наблюдаемое явление, затем его конкретный признак и вывод, который физики делают на его основе. Особенно убедительна не одна строка, а согласованность всех наблюдений между собой. Сопоставляя строки, можно проследить путь от обнаружения расширения до вывода о прошлом Вселенной.
| Наблюдение или явление | Что наблюдают | Какой вывод делают |
|---|---|---|
| Красное смещение в спектрах галактик | Спектральные линии далёких галактик смещены к красному краю | Галактики удаляются; пространство между ними расширяется |
| Зависимость удаления далёких галактик от расстояния | Более далёкие галактики в среднем удаляются быстрее | Расширение имеет общий космический характер, а не является движением из одного центра |
| Реликтовое излучение | Со всех направлений приходит слабое излучение ранней Вселенной | Вселенная была горячей, плотной и со временем стала прозрачной |
| Формирование звёзд и галактик | Наблюдаются галактики разных возрастов и стадий развития | Структура Вселенной формировалась постепенно после раннего расширения |
Нужно связать наблюдаемое положение спектральных линий с изменением длины волны света. При красном смещении длина волны становится больше, чем у соответствующей линии в лабораторном спектре. В космологии это рассматривают как признак удаления галактики и расширения пространства между ней и наблюдателем.
Ответ: галактика удаляется от наблюдателя; красное смещение служит признаком её удаления.
Здесь требуется применить качественную зависимость между расстоянием и скоростью удаления, а не искать направление на общий центр. При расширении пространства более далёкая галактика имеет между собой и наблюдателем больше расширяющихся участков пространства. Поэтому её спектр обычно показывает большее красное смещение.
Ответ: ожидается, что более далёкая галактика удаляется быстрее и имеет большее красное смещение.
Оба наблюдения относятся к разным сторонам одной картины. Красное смещение показывает, что Вселенная сейчас расширяется, а реликтовое излучение свидетельствует о её горячем и плотном прошлом. Вместе эти факты позволяют не просто зафиксировать движение галактик, а восстановить направление космической эволюции.
Ответ: красное смещение подтверждает расширение, а реликтовое излучение — горячее раннее состояние; их совокупность поддерживает модель Большого взрыва.
Обычный взрыв в готовом пространстве. Так представляют Большой взрыв, потому что слово «взрыв» связано с разлётом вещества. Проверка проста: нужно спросить, что расширяется в модели; ответ — сама Вселенная и расстояния в пространстве, а не облако вещества в пустоте.
Разлёт из единой точки. Ошибка возникает из-за попытки нарисовать расширение как движение всех галактик от одного центра. У расширения Вселенной нет особой центральной точки внутри пространства; сравнивать следует расстояния между галактиками.
Красное смещение из-за среды. Иногда его путают с покраснением света при прохождении через вещество. В этой теме проверяют положение спектральных линий и связывают их смещение с удалением галактики и растяжением пространства.
Реликтовое излучение как свет звёзд. Такое объяснение неверно, поскольку реликтовое излучение не испущено отдельной современной галактикой. Нужно помнить его источник: это сохранившееся излучение ранней Вселенной, ставшей прозрачной для света.
Для понимания темы нужны знания о спектре и спектральных линиях: по ним узнают состав и движение небесных объектов. Связь со скоростью помогает объяснить, почему по смещению оценивают удаление галактик, а наблюдения движения небесных тел дают фактическую основу выводам.
Представления о расширении и ранней Вселенной подготавливают к дальнейшему изучению космологии. Они помогают рассматривать строение Вселенной не как неподвижную систему, а как результат длительной эволюции вещества, излучения, звёзд и галактик.
Что именно произошло во время Большого взрыва?
Согласно модели, Вселенная начала расширяться из очень горячего и плотного состояния. Это не был обычный взрыв вещества в готовом пространстве: расширялось само пространство, а затем в нём формировались частицы, атомы, звёзды и галактики.
Почему красное смещение указывает на удаление галактики?
В спектре галактики есть линии с известными положениями. Если они смещены к красному краю, значит, длины волн света увеличились при распространении, что в данном контексте связано с удалением галактики и расширением пространства.
Есть ли у расширения Вселенной центр?
Центра расширения внутри Вселенной нет. Удаляются друг от друга все достаточно далёкие галактики, потому что увеличиваются расстояния в самом пространстве, а не потому, что они разлетаются из одной точки.
Что такое реликтовое излучение и откуда оно взялось?
Реликтовое излучение — это излучение ранней Вселенной. Оно возникло, когда Вселенная остыла настолько, что образовались атомы и свет смог свободно распространяться, поэтому его излучение наблюдается и сегодня.
Какие наблюдения подтверждают модель Большого взрыва?
Главные аргументы — красное смещение далёких галактик, зависимость их удаления от расстояния и обнаружение реликтового излучения. Вместе они показывают, что Вселенная расширяется и в прошлом была горячей и плотной.
56. Рождение и эволюция Вселенной
