АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ IV. Елементи космології

Тема 4.1. Всесвіт як цілісне середовище життя

§ 30. Елементи сучасної космології

Вступ

Питання походження й розвитку Всесвіту, яке споконвіку хвилює людину, стало прояснюватися тільки в XX ст. — після відкриття космологічного розширення. Наукові дослідження дозволили зробити висновок: наш Всесвіт виник близько 14 мільярдів років тому в результаті Великого Вибуху. Відтоді Всесвіт пройшов складний еволюційний шлях, основні етапи якого наука нині здатна пояснити.

Цілі вивчення § 30

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти факт прискореного розширення Всесвіту; існування темної матерії та темної енергії; природу реліктового випромінювання; основні етапи еволюції Всесвіту;

• уміти описати в загальних рисах еволюцію Всесвіту;

• оцінювати світоглядне значення сучасних уявлень по будову Всесвіту та його еволюцію.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Треба повторити матеріал § 28 (Всесвіт. Великомасштабна структура Всесвіту), а також § 29 (Всесвіт як ціле).

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Зверніть увагу на те, що сучасна космологія використовує всі відомі закони фізики, найновіші результати астрономічних спостережень, а також наявний нині математичний апарат та можливості комп’ютерної техніки. Це дозволяє будувати (обчислювати) різні моделі нашого Всесвіту.

Природничі науки часто оперують поняттям матерія, як основою буття, що проявляється у всьому розмаїтті й рясногранності об’єктів, процесів, явищ мікро-, макро- і мегасвіту. Тобто матерія — це все те, що заповнює Всесвіт і існує в русі, розвитку та взаємоперетвореннях незалежно від людської свідомості. Традиційно у фізичній картині світу виділяють два фундаментальні види матерії — речовину і фізичні поля. Речовина — це структурована матерія (наприклад, газ, зорі тощо), її ще називають баріонною матерією, бо вона складається з баріонів — протонів, нейтронів, електронів. А фізичні поля — це неструктурована матерія, особлива її форма, яка здійснює взаємодію між частинками. Два види матерії поєднує поняття енергії, яке є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів, загальною кількісною мірою руху і взаємодії всіх видів матерії. Водночас в астрономії речовину поділяють на видиму, що світить, і невидиму, що не світить, — її називають темною матерією. На два типи поділяють і енергію: випромінювання (наприклад, весь електромагнітний спектр) і темну енергію. Що таке темна енергія — ще до кінця не відомо, хоча її природа вже прояснюється.

Пояснювальний текст

Визначні фізичні теорії (загальна теорія відносності, квантова механіка тощо) разом з великим масивом спостережних астрономічних даних дозволили космологам за неповні 100 років з’ясувати загальну картину народження й розвитку нашого Всесвіту. Ця картина не лише пояснює нинішню його будову, наприклад, існування в ньому галактик, але й передбачає майбутнє Всесвіту. Щоправда, багато важливих моментів еволюції Всесвіту, а надто його походження, ще й досі до кінця нез’ясовані.

1. Основні етапи еволюції Всесвіту. Нинішнє астрономічне та фізичне знання не пояснює однозначно того, що було до Великого Вибуху чи одразу після нього. Але відомі й перевірені на практиці закони фізики дозволяють зробити наукову екстраполяцію в минуле аж до моменту t = 10-43 с від початку розширення. Це так званий час Планка, що є гіпотетичною граничною природною одиницею вимірювання масштабу часу (квантом часу), яку увів німецький фізик- теоретик Макс Планк. Подій у проміжку часу, що менший за час Планка, від t = 0 до t = 10-43 с відомими нині законами фізики описати неможливо — вони в цьому часовому інтервалі просто не діють. Саме тому науковці не знають, що відбувалось у крихітну частку часу тривалістю 1043 с, яка минула після Великого Вибуху, тобто від часу t = 0.

Згідно з сучасними уявленнями, процес народження Всесвіту має описувати квантова теорія гравітації. Але таку теорію ще не створено. Поняття «вік Всесвіту» має сенс для моментів часу не раніше 10"43 секунди. На менших масштабах вже не можна говорити про звичний нам лінійний плин часу, адже в цей проміжок властивості простору — не стабільні. У науковій літературі такий стан простору-часу зі змінною топологією називають квантовою піною. З невідомих поки причин, можливо, через квантові флуктуації, в одній із «бульбашок» квантової піни виникає самовільно, спонтанно, буквально з «нічого», фізичне поле, яке у віці близько 10-35 секунди змушує її розширюватися з колосальним прискоренням. Цей процес називають інфляцією, а поле, що його спричиняє — інфлантонним (від назви частинки, носія цього поля, — інфлантон).

Теоретичні розрахунки показують, що у віці 10-43 с Всесвіт був дуже малим (l ≈ 10-33 см) і щільним, але потім він зазнав розширення від дуже малих розмірів до неймовірно (1010 в степені 4 см) великих розмірів. Для опису розширення Всесвіту вводять поняття масштабного фактора a(t), який збільшується з плином часу так, що відстань між об’єктами у Всесвіті змінюється пропорційно a(t).

Отже, розміри Всесвіту росли експоненціально (а(Ї) ~ eHt), тобто зростання масштабного фактора було пропорційне його значенню da(t)/dt ~ a(t). В економіці подібні процеси називають інфляцією, тому космологічну теорію, що описує перші миті існування Всесвіту, називають інфляційною теорією Великого Вибуху. Її запропонував у 1980 р. американський вчений А. Ґут. Вона є вдосконаленою теорією Великого Вибуху.

Початок інфляції був спричинений «хибним» вакуумом, або псевдовакуумом, — різновидом фізичного вакууму з від’ємним тиском (основними параметрами вакууму є енергія і тиск, залежно від них він може бути в різних енергетичних станах). Такий тиск створює силу відштовхування, що діє як антигравітація. Що вища енергія вакууму, то вищий тиск, а в разі псевдовакууму — відштовхування. Псевдовакуум — не стабільний і дуже швидко розпадається, переходячи у вакуум з низьким рівнем енергії (інфляція закінчується, коли інфлантонне поле досягає мінімуму енергії). Вивільнена, внаслідок розпаду, енергія іде на утворення великої кількості елементарних частинок— кварків та антикварків, з яких вже через десятитисячну частку секунди утворились різні частинки, серед яких протони і нейтрони та їхні античастинки. Інакше кажучи, з енергії виникає речовина, яка має високу температуру.

Отже, розпад псевдовакууму і спричинене цим швидке розширення, яке в цій теорії відіграє роль Великого Вибуху, привели до того, що з мікроскопічної «бульбашки» квантової піни утворився Всесвіт величезних розмірів. Далі його розвиток відбувається так, як передбачає стандартна космологія Великого Вибуху. Нині ми живемо в дуже низькоенергетичному вакуумі. Тривалий час домінувала думка, що його енергія нульова, але спостереження наприкінці ХХ ст. показали, що вона трохи відмінна від нуля (її назвали темною енергією).

Інфляційна теорія Великого Вибуху пояснила особливості нашого Всесвіту, які не вдавалося зрозуміти у стандартній космологічній моделі Фрідмана. Це, зокрема, однорідність Всесвіту — псевдовакуум всюди має строго однакову густину енергії (за винятком малих неоднорідностей, що пов’язані з квантовими флуктуаціями в ньому). Інша особливість Всесвіту — його плоска геометрія, яку астрономи спостерігають нині, — знайщла пояснення в тому, що інфляція збільшила «бульбашку» до розмірів величезної сфери. Ми бачимо лише її крихітну частину, тому вона здається плоскою, як і Земля, коли ми розглядаємо невелику її ділянку. Те, що геометрія Всесвіту плоска, перевірено шляхом вимірювання кутів велетенського трикутника розміром майже до космологічного горизонту. Їх сума склала 180 градусів, як і має бути у плоскій, евклідовій, геометрії.

Окремо зауважимо про космологічний горизонт, що є межею спостережуваного Всесвіту. Раз вік Всесвіту це скінченна величина, то за цей проміжок часу світло може подолати скінченну відстань, яка дорівнює добутку його швидкості на час, що минув від утворення Всесвіту. Безліч точок, що перебувають на цій відстані від нас, величезну сферу називають космологічним горизонтом. Космологічний горизонт — це межа, своєрідний кордон, що відділяє простір, який ми можемо спостерігати в даний момент, від того, який ми у принципі спостерігати не можемо, бо світло звідти ще не встигло до нас дійти. Але Всесвіт невпинно розширюється, і світло приходить з усе віддаленіших його ділянок, розширюється й горизонт. Водночас світло несе інформацію про все більш ранні об’єкти Всесвіту. Найвіддаленішим, і водночас найбільш раннім об’єктом, який може спостерігати сучасна наука, є реліктове випромінювання (про нього далі).

З теорії інфляції випливає, що значна частина Всесвіту перебуває за межею космологічного горизонту. Адже доки світло 13,7 млрд років ішло до нас, самі ці об’єкти вже давно покинули видиму частину Всесвіту й рухаються далеко за її межею.

Ще один висновок цієї теорії — хоча в нашій частині космосу інфляція закінчилася, у Всесвіті в цілому вона триває досі. Внаслідок розпаду псевдовакууму повсякчас виникають нові «локальні» всесвіти, тобто триває процес, який називають вічною інфляцією. Теорію вічної інфляції розробив А. Лінде, і її вважають удосконаленим варіантом теорії А. Ґута. Вічна інфляція приводить до того, що в матеріальному світі повсякчас виникає величезна кількість «локальних» всесвітів з усіма можливими варіантами фізичних параметрів. Сукупність таких всесвітів позначають поняттям Мультиверсум (ч. 3, § 19).

Після закінчення інфляції Всесвіт розширювався й охолоджувався. Ще через одну десятитисячну частку секунди при температурі 1012 К відбулась анігіляція протонів з антипротонами і нейтронів з антинейтронами з утворенням фотонів. Та вочевидь від самого початку концентрація частинок перевищувала кількість античастинок приблизно на одну мільярдну частку. Цей «лишок» став будівельним матеріалом для світу речовини — галактик,

зір, планет тощо. З фотонів, що утворилися під час анігіляції, значною мірою складається реліктове випромінювання. Через 1 с після Великого Вибуху при температурі 1010 К Всесвіт став прозорим для нейтрино, тоді як протони, нейтрони, електрони й позитрони були перемішані з фотонами. Через 3 с температура знизилась до 3 · 109 К, й електрони проанігілювали з позитронами, а ще через 3 хвилини при температурі 3 · 108 К почалось утворення перших хімічних елементів — дейтерію, гелію, літію.

У наступні 300 000 років помітних змін не відбувалося. Увесь цей час Всесвіт був непрозорим для світла, бо електрони, протони, ядра гелію і в значно меншій кількості ядра літію, з яких складалася первісна плазма, безперервно поглинали, випромінювали й розсіювали фотони, не даючи їм поширюватись вільно. Та врешті-решт, розширюючись далі, Всесвіт охолов до температури близько 3000 К. Тоді енергія фотонів стала меншою від сили кулонівського притягання електронів і протонів, а відстані між частинками стали належно великими для того, щоб фотони перестали розбивати щойно утворені нейтральні атоми водню та гелію. Зв’язані в атомах, частинки перестали заважати руху фотонів, і Всесвіт раптово став «прозорим» для випромінювання: світло відокремилось від речовини.

Від цього моменту випромінювання вільно поширюється у Всесвіті, бо практично не взаємодіє з речовиною. 1948 року, розвиваючи ідею теорії Великого Вибуху, радянський, а згодом американський, фізик-теоретик й астрофізик Г. Гамов передбачив існування цього «залишкового випромінювання» й донині. Часто його називають реліктовим випромінюванням, оскільки воно справді є реліктом ранньої епохи розвитку Всесвіту.

Отже, через 300 тисяч років після Великого Вибуху домінуючою формою матерії у Всесвіті стає речовина (видима й невидима). Відтак починають швидко збільшуватися в розмірах неоднорідності речовини, що існували ще від моменту закінчення інфляції. Адже поки у Всесвіті домінувало випромінювання, воно заважало процесу наростання з часом просторових флуктуацій швидкості й щільності речовини під дією сил тяжіння (гравітаційних збурень). Саме розвиток гравітаційної нестійкості у наступні мільйони років «змусив» речовину збиратися в окремі згустки — протогалактики, в яких, своєю чергою, приблизно через мільярд років після Великого Вибуху почали утворюватись перші зорі.

Рис. 30.1. Основні етапи розвитку Всесвіту.

2. Реліктове випромінювання. Коли в 1965 р. американські радіоастрономи А. Пензіас і Р. Вілсон зареєстрували реліктове випромінювання (Додаток 1), це стало одним із доказів на користь теорії Великого Вибуху. Адже воно характеризує гарячий стан речовини у Всесвіті задовго до утворення дискретних джерел. Нині температура цього випромінювання становить приблизно 2,7 К, тому воно припадає на мікрохвильовий діапазон довжин хвиль. У зв’язку з цим інша його назва — космічне мікрохвильове фонове випромінювання (англ. cosmic microwave background radiation).

Фонове випромінювання має великий ступінь однорідності (ізотропії). Проте вже під час його відкриття стало зрозуміло, що воно не може бути абсолютно однорідним, адже це випромінювання пов’язане з речовиною, в якій мали існувати неоднорідності густини (саме це стало запорукою майбутнього утворення у Всесвіті галактик і скупчень галактик).

Анізотропію мікрохвильового фонового випромінювання вдалося виявити в 1992 р. на підставі космічних спостережень спеціалізованого супутника COBE (COsmic BackgroundExplorer). За це відкриття американським астрофізикам Джорджу Ф. Смуту і Джону С. Мейзеру присуджено Нобелівську премію з фізики 2006 року.

Дослідження анізотропії реліктового випромінювання виконував у 2001—2010 рр. космічний зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), а також космічна обсерваторія «Планк» (2009—2012).

Рис. 30.2. Обсерваторії WMAP (результати) і Планк (результати).

Ретельне вивчення результатів, отриманих космічними обсерваторіями, дозволило побудувати мапу розподілу реліктового випромінювання на небесній сфері (рис. 30.3). На ній видно у вигляді плям слабкі (на рівні сотих і тисячних часток відсотка) відхилення від однорідного тла. Плями позначають флуктуації, що існували на початку Всесвіту (до моменту інфляції). Після сильного розширення вони збереглися, як неоднорідності густини речовини в космічному просторі, що стали зародками галактик. Кутові відстані між плямами на мапі вказують на розміри неоднорідностей, а перепади яскравості — на ступінь ущільнення зародків майбутніх скупчень галактик.

Рис. 30.3. Мапа розподілу космічного мікрохвильового фонового випромінювання на небесній сфері.

3. Прискорене розширення Всесвіту. Питання про значення середньої густини речовини ρ0 у Всесвіті виникло ще в космологічній моделі О. Фрідмана, адже від неї залежить, яким є наш Всесвіт — відкритим, закритим чи пульсівним (§ 29, п. 2).

Визначити середню густину речовини у Всесвіті дуже складно, адже можна врахувати тільки ту речовину, яку ми бачимо або реєструємо приладами (зорі, газ, пил, різні частинки, випромінювання тощо). А її, зі спостережних даних, явно не вистачає, щоб створити силу тяжіння, здатну тримати вкупі окремі галактики, їх скупчення й надскупчення. Та з того, що великі системи космічних тіл упродовж дуже тривалого часу зберігають свої розміри стабільними, випливає, що у Всесвіті є ще й невидима, прихована маса, або інакше — темна матерія. Вона не світить, але виявляє себе силою тяжіння (рис. 30.4).

Рис. 30.4. Хоча виявити темну матерію прямо не вдається, про її існування свідчить низка непрямих даних. Як приклад наведено знімок скупчення галактик Куля. Рентгенівське випромінювання об’єкта, що лежить за нею (показано червоним), спотворене впливом прихованої маси, яку і вважають темною матерією. Її розподіл, визначений з розрахунків, показано синім.

На існування темної матерії у скупченнях галактик 1932 році вказав німецький астроном Фріц Цвіккі. Пізніше її виявили в ізольованих великих галактиках, довкола яких існують невидимі гало з темної матерії. Радіуси цих гало у 5 — 10 разів більші, ніж розміри власне зоряних систем, а їхня маса становить до 90% маси галактики.

Згідно з нинішніми уявленнями, темна матерія відіграла особливу роль у формуванні великомасштабної структури Всесвіту. Якби темної матерії не було, то ця структура не змогла б виникнути. Імовірно спочатку виникли згустки темної матерії (їх називають гравітаційними ямами), а потім звичайна матерія скупчилась навколо них. Якщо темна матерія заповнює увесь Всесвіт, то це означає, що галактики існують не ізольовано, а в рамках колосальної мережевої структури, основою якої є темна матерія. Отже, галактики — скупчення звичайної матерії, розміщені у вузлових точках всесвітньої мережі з темної матерії. Галактики — це лише «піки» в концентрації речовини, розподіленої у Всесвіті.

Природа темної матерії досі невідома. Згідно з припущеннями, існують щонайменше два види небаріонної темної матерії — гаряча і холодна. Носіями першої можуть бути релятивістські частинки, наприклад, нейтрино, а другої — ще не відкриті елементарні частинки, наприклад, аксіони чи вімпи WIMP (weakly interacting massive particles), тобто масивні частинки зі слабкою взаємодією.

Нині пошуки темної матерії виконують як прямими, так і непрямими методами. У першому разі для реєстрації результату взаємодії частинок темної матерії з речовиною створюють високочутливі детектори — величезні ємності, наповнені охолодженою дуже чистою речовиною, зазвичай благородним газом. Суть непрямих методів — пошук «слідів» темної матерії. Наприклад, анігіляція вімпів, згідно з теоретичними обчисленнями, має спричиняти появу нейтрино і позитронів. Для реєстрації цих частинок на облавку Міжнародної космічної станції у 2011 р. розміщено магнітний альфа-спектрометр «AMS-02» (Alpha Magnetic Spectrometer).

У 1998 — 1999 рр. спочатку астрономи, а потім і фізики, на підставі спостережень спалахів Наднових типу Іа виявили, що їхня спостережувана яскравість регулярно є меншою, ніж має бути, при відстанях до них, обчислених за законом Габбла. Згадаймо, Наднові типу Іа використовують в астрономії як «стандартні свічки» для вимірювання відстаней, недоступних для вимірів іншими методами. Адже, по-перше, їхній блиск часом перевершує блиск усієї материнської галактики, і їх видно з величезних відстаней, а по-друге, оскільки до появи Наднових типу Іа призводить катастрофічний термоядерний вибух киснево-вуглецевих карликів майже однакової маси, в максимумі вони мають практично однаковий блиск. То ж знаючи зі спостережень видиму зоряну величину й порівнюючи її з абсолютною зоряною величиною, яку вони повинні мати, за відомими формулами обчислюємо відстань до них.

Отже, справжні відстані до Наднових типу Іа виявились більшими, ніж мають бути, згідно з обчисленими. А це означає, що Всесвіт на космологічних відстанях розширюється швидше, ніж це випливає з закону Габбла, тобто розширення Всесвіту відбувається з прискоренням. Оскільки звичайна гравітуюча речовина не може надавати галактикам додаткової швидкості, навпаки, вона сповільнює розліт, то з факту прискореного розширення випливає, що у Всесвіті є субстанція, спроможна діяти, як антигравітація. І саме вона прискорює всі далекі об’єкти. Цю субстанцію назвали темною енергією.

Але яку природу має темна енергія? З космологічного рівняння стану р = ωε, де р — тиск середовища, ε — густина енергії середовища, а ω — коефіцієнт пропорційності, за умови, що густина середовища вища за нуль, випливає, що для забезпечення прискореного розширення Всесвіту на роль темної енергії претендують три субстанції з такими коефіцієнтами пропорційності ω:

ω = -1, це фізичний вакуум — середовище з від’ємною гравітацією, яке скрізь і завжди має постійну густину енергії, незалежно від системи відліку;

ω лежить у межах від -1 до 1/3, це квінтесенція — гіпотетичне середовище з від’ємною гравітацією меншою, ніж у вакууму, густина енергії якого спадає з часом;

ω менша за -1, це так звана, також гіпотетична, фантомна енергія, або просто фантом, — середовище з від’ємною гравітацією, густина енергії якого зростає з часом.

Отже, природа темної енергії — це або вакуум, або квінтесенція, або фантомна енергія, і для кожної з цих субстанцій властивий від’ємний тиск, тобто антигравітація.

Від природи темної енергії залежить геометрія Всесвіту. Якщо це фізичний вакуум, то Всесвіт має бути плоским. Якщо квінтесенція, то його форма сферична або гіперболічна (сідлоподібна). Якщо це фантом, то на Всесвіт чекає Великий розрив. Досі більшість спостережень вказують на те, що Всесвіт має плоску геометрію. Тому є всі підстави вважати, що темну енергію створює фізичний вакуум — повністю звільнений від будь-якої речовини простір, заповнений полем, в якому без кінця народжуються і зникають віртуальні частинки.

Сучасну космологічну теорію, що враховує, окрім видимої (баріонної) матерії ще й невидиму темну матерію (CDM — від англ. Cold Dark Matter), а також темну енергію, описувану космологічною сталою Айнштайна Л (лямбда), що заповнюють просторово плоский Всесвіт, називають — ΛCDM (лямбда-СіДіАм). Її ще часто називають стандартною космологічною моделлю Великого Вибуху, бо вона пояснює:

• наявність і структуру космічного мікрохвильового фону;

• великомасштабну структуру скупчень галактик;

• розподіл водню, гелію, літію, кисню у нашому всесвіті;

• прискорення розширення Всесвіту, яке спостерігають за електромагнітним випромінюванням далеких галактик і Наднових типу Іа.

Це найпростіша модель, яка в цілому узгоджується зі спостережними даними.

Дослідження (1998 р.) Наднових Іа у дуже далеких галактиках, а також аналіз результатів (2003 р.), отриманих орбітальною космічною обсерваторією ім. Вілкінсона (WMAP), що вимірювала анізотропію мікрохвильового фонового випромінювання, допомогли дати відповіді на деякі питання, що накопичилися в космології за тривалий час.

Було з’ясовано, що вік Всесвіту становить 13,7 млрд. років (з точністю до 1 %), а його складовими є — 73% темна енергія, 23% невидима темна матерія допоки не з’ясованої природи і лише 4% видима речовина, яку можна реєструвати усіма можливими приладами, а також різні поля й випромінювання.

Рис. 30.5. Баланс речовини, темної матерії та темної енергії у нашому Всесвіті, згідно з сучасними уявленнями.

З’ясовані дані про космологічне прискорення вказують на те, що першу половину своєї історії Всесвіт розширювався з уповільненням, а другу — з прискоренням. Спочатку середня густина речовини (темної матерії і баріонів) у Всесвіті була значно більшою, ніж густина темної енергії. Тому гравітація переважала антигравітацію і гальмувала розліт галактик. Але густина речовини внаслідок розширення Всесвіту падає, а густина темної енергії не залежить від часу — це величина стала. Це означає, що із збільшенням об’єму Всесвіту темна енергія безупинно продукується вакуумом і її кількість зростає. Коли вік Всесвіту становив 7 — 8 млрд років, кількість темної енергії досягла критичного значення — 33% від усієї кількості енергії у Всесвіті, і темп розширення почав зростати. З плином часу, у майбутньому, густина матерії й надалі падатиме, тоді як темної енергії зі сталою густиною ставатиме дедалі більше. Тому розширення Всесвіту з прискоренням триватиме й надалі.

Нині у Всесвіті переважає темна енергія. Вона пронизує у Всесвіті все — галактики, зорі, планети, наші тіла. Не лише галактики на краю Всесвіту, але й близькі до нас рухаються не в порожнечі, а на однорідному тлі фізичного вакууму. Темна енергія — це фізичний агент, що пов’язує локальні й глобальні властивості світу, створює у Всесвіті єдине динамічне тло, спричиняючи його розширення з прискоренням.

Подальша еволюція Всесвіту залежить від природи темної енергії. Якщо це фізичний вакуум (ω = -1), а багато фактів схиляють саме до такої думки, то Всесвіт відкритий і його прискорене розширення триватиме вічно. Відстані між скупченнями галактик ставатимуть все більшими, порожнеча — все глибшою, простір між ними — все чорнішим. Зорі поступово витратять своє ядерне пальне, згаснуть і вже ніколи не займуться знову, бо газ, з якого вони утворюються, буде вичерпано. Залишаться тільки охололі колишні білі карлики, нейтронні зорі та чорні діри. Але і карлики, й нейтронні зорі також зникнуть, бо ті нейтрони і протони, з яких вони складаються, розпадуться. Приблизно через 10100 років чорні діри «випаруються» і перетворяться у випромінювання. Отак у Всесвіті зникне будь-яка структура й організація, лише необмежено довго триватиме розширення сукупності фотонів, нейтрино та вкрай розрідженого газу з електронів і позитронів, які ще залишилися. Всі «життєві сили» такого Всесвіту поступово виснажаться й замруть. Нескінченний простір, холод і темрява — оце неминучий фінал такого Всесвіту.

Можна розглянути й альтернатівні сценарії.

Якщо темна енергія — це квінтесенція (-1 < ω < -1/3, припускають, що це надслабке скалярне поле з антигравітацією), густина енергії якої спадає з часом, то врешті-решт розширення Всесвіту сповільниться і, можливо. зміниться на стискання. Тоді речовина у Всесвіті повернеться до гарячого й щільного стану. Настане «Великий хруст».

Якщо темна енергія — це фантом (ω < -1), середовище з антиграавітацією, густина енергії якого зростає з часом, то прискорене розширення ставатиме дедалі швидшим, і розвиток Всесвіту відбуватиметься за сценарієм, який називають «Великим розривом». Необмежений ріст густини енергії спричинить катастрофічне зростання антигравітації, як наслідок — катастрофічне падіння гравітаційних сил і «розрив» об’єктів — надскупчення розпадуться на окремі галактики, галактики на окремі зорі, розірветься Сонячна система, далі планети, кожна молекула, кожний атом і навіть кожна елементарна частинка.

Проте допоки фізичну природу темної енергії ще тільки з’ясовують (згідно з сучасними оцінками, значення ω лежить у межах -1,18 < ω < -0,93), усе це лише гіпотези. Чітко відомо тільки одне: існування темної енергії і створюваної нею антигравітації надійно й остаточно доведено. Поступово підсилюються об’єктивні свідчення на користь уявлень про темну енергію, як про фізичний вакуум. Прискорене розширення Всесвіту триватиме ще кілька десятків мільярдів років. За цей час наша галактика зіллється з Туманністю Андромеди і більшістю галактик, що входять до складу Місцевої групи. Всі інші галактики лежатимуть далеко за космологічним горизонтом, і їх не можна буде побачити навіть у найпотужніший телескоп.

Зрештою, можливе ще одне пояснення темної енергії (Додаток 2), яке також треба мати на увазі, поки її природа невідома.

Навчальне завдання

• Чому мікрохвильове фонове випромінювання не є однорідним?

Висновки

Питання походження й розвитку Всесвіту, яке споконвіку хвилює людину, стало прояснюватися тільки в XX ст. — після відкриття космологічного розширення. Згідно з сучасними уявленнями наш Всесвіт існує близько 13,7 мільярдів років. Він виник унаслідок Великого Вибуху, зазнав дуже швидкого розширення, після чого вступив в епоху формування галактик і зір. Нині цей етап розвитку Всесвіту все ще триває. Розширення Всесвіту відбувається прискорено і, ймовірно, він буде необмежено розширюватися й надалі.

Запитання для самоперевірки

1. Чому відомі закони фізики не дозволяють описати першу мить після Великого Вибуху?

2. Що таке реліктове випромінювання?

3. Яку роль відіграє анізотропія мікрохвильового фонового випромінювання в еволюції Всесвіту?

4. Як проявляє себе у Всесвіті темна матерія?

5. Як проявляє себе у Всесвіті темна енергія?

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 30

• Розділ «Всесвіт» пункту «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/vsesvit-v)

Додатки

Додаток 1

Відкриття реліктового випромінювання

1948 р. Георгій Гамов та його колеги висунули гіпотезу, згідно з якою Всесвіт на початку свого розвитку мав дуже високу температуру. Випромінювання, що виникло тоді, існує й дотепер, але, внаслідок розширення Всесвіту, його температура мала зменшитись до 5 К (саме тому його називають мікрохвильовим випромінюванням, або ж фоновим). Видатний радянський астрофізик Й.С. Шкловський назвав це випромінювання реліктовим (від лат. «залишок»).

У 1964 р. випромінювання, завбачене Гамовим, випадково відкрили американські радіоастрономи А. Пензіас і Р. Вілсон. Налагоджуючи антену, призначену для ретрансляції через супутник зв’язку телевізійних передач з Америки в Європу, вони виявили мікрохвильовий фоновий шум, що безупинно надходив з усіх ділянок неба. Після ретельних перевірок дослідники дійшли висновку, що причина шуму полягає у випромінюванні, яке з усіх

боків рівномірно надходить з далеких глибин Всесвіту і має температуру близько 3 К (довжина хвилі — 7,35 см). За це відкриття Пензіас і Вілсон разом з групою астрономів Принстонського університету, які того ж 1964 р. шукали реліктове випромінювання, одержали Нобелівську премію 1978 р. в галузі фізики.

Рис. 30.6. Автори відкриття реліктового випромінювання (Г. Гамов, А. Пензіас і Р. Вілсон).

Додаток 2

Прискорене розширення Всесвіту без темної енергії

Ще одне можливе пояснення темної енергії полягає в тому, що ніякої темної енергії насправді не існує. Темну енергію доводиться залучати для пояснення особливостей розширення Всесвіту в тому разі, коли космологічну еволюцію описують загальною теорією відносності. Якщо ж цю теорію не можна застосовувати на сучасних космологічних масштабах довжин і часів, то і в темній енергії немає необхідності.

Зрозуміло, під таким поглядом на темну енергію можна не враховувати той факт, що загальна теорія відносності добре перевірена на менших масштабах відстаней. Тому потрібно створити нову теорію гравітації, яка переходила б у загальну теорію відносності на порівняно невеликих відстанях, але інакше описувала б еволюцію Всесвіту на пізніх, близьких до нашого, етапах. Це важке завдання, а надто якщо врахувати вимогу самоузгодженності, внутрішньої несуперечності, теорії. Проте такі спроби вже є, і деякі з них здаються досить перспективними.

Одна з можливостей полягає в тому, щоб перестати вважати ньютонівску сталу всесвітнього тяжіння постійною величиною, дозволити їй змінюватися у просторі і часі, підкоряючись певним рівнянням. На жаль, найкрасивіші версії теорії, що реалізують цю можливість, відкинуті експериментами з перевірки загально теорії відносності. Якщо ж не гнатися за красою, то моделі, які пояснюють прискорене розширення Всесвіту й узгоджуються з усім, що відомо про гравітацію, побудувати на цьому шляху можна. Ці моделі, зазвичай,

передбачають, хоч і дуже малі відхилення від загальної теорії відносності, але все ж такі, що в перспективі можна буде експериментально виявити.

За результатами вивчення § 30 Ви маєте:

знати й розуміти

факт прискореного розширення Всесвіту; існування темної матерії та темної енергії; природу реліктового випромінювання; основні етапи еволюції Всесвіту.

уміти

описати в загальних рисах еволюцію Всесвіту.

оцінювати

світоглядне значення сучасних уявлень по будову Всесвіту та його еволюцію.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.