КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина VIII

ПРОБЛЕМИ КОСМОГОНІЇ ТА КОСМОЛОГІЇ

Розділ 22

ЕЛЕМЕНТИ КОСМОЛОГІЇ

22.1. Основні характеристики Всесвіту

Розділ астрономії, який займається вивченням властивостей навколишнього Всесвіту, називається космологією. Космологія має завдання з'ясувати, як відбулося народження Всесвіту; що собою являє геометрична структура його простору і часу; сформулювати закони розвитку Всесвіту як цілого; дати конкретні відповіді на питання, які процеси призвели до формування галактик та їхніх скупчень. Спостережною основою космології є всі дані позагалактичної астрономії, а теоретичним підмурком — загальна теорія відносності.

Під терміном «Всесвіт, що спостерігається» будемо розуміти ту частину Всесвіту, яка доступна для спостережень за допомогою сучасних астрономічних інструментів. Сьогодні оптичні і радіотелескопи дозволяють «заглянути» у такі віддалені області Всесвіту, звідки випромінювання подорожує понад 10 мільярдів років, поки досягне Землі, проходячи при цьому відстань у 1026 м. Всесвіт має кілька фундаментальних властивостей, які ми розглянемо нижче.

Розподіл речовини в спостережуваній частині Всесвіту. Речовина Всесвіту розподілена однорідно. Значні неоднорідності, що мають місце у відносно невеликих масштабах, стають непомітними, коли ми переходимо до розгляду великих масштабів. Наприклад, речовина Сонячної системи зосереджена в основному в Сонці і планетах, а міжпланетний простір можна вважати практично порожнім. На галактичних відстанях, ми знову зіштовхуємося з помітною неоднорідністю — маса в основному сконцентрована в зорях, а густина речовини в міжзоряному просторі нехтовно мала. Якщо ж ми весь об'єм Всесвіту, що спостерігається, поділимо на кубічні складові з ребром куба близько 200 Мпк, підрахуємо масу, що вміщується в кожнім кубі, а потім знайдемо середню густину у кожній кубічній комірці, то виявиться, що отримані середні значення густини для різних комірок будуть

приблизно однаковими, і рівними ρ = 10-31 г/см3. Це значення ми і будемо вважати спостережуваною середньою густиною Всесвіту. З цього випливає, що у великих масштабах речовина розподілена досить однорідно.

Реліктове випромінювання. Крім речовини, з якої утворені об'єкти Всесвіту, і випромінювання самих об'єктів, весь об'єм заповнений ще й особливим типом випромінювання, що зветься реліктовим (цей термін буде пояснений нижче). Його існування було відкрито в 1965 році, значною мірою випадково. Реліктове випромінювання — це радіохвилі з довжиною в інтервалі від 0,05 см до 50 см. Інтенсивність реліктового випромінювання визначається його температурою T = 2,725 K. Спектр цього випромінювання показано на рис. 22.1. Існування реліктового випромінювання теоретично передбачив Г. А. Гамов (1904—1968, США).

image68

Рис. 22.1. Загальний спектр реліктового радіовипромінювання

Лише з початком 90-х pp. XX ст. вдалося виявити флуктуації інтенсивності РВ на рівні δΤ/Τ ~ 5-10-5. Завдяки цьому отримано експериментальне підтвердження уявлення про фазу інфляції у розвитку Всесвіту. Також — згадані у Вступі числові оцінки внеску окремих складових у повну масу й енергію, що визначають будову й еволюцію Всесвіту.

Космологічне розширення Всесвіту. Параметр Хаббла. Всесвіт перебуває в стані безперервного розширення. Швидкість взаємного віддалення, наприклад, двох скупчень галактик пропорційна відстані r між ними:

image69

З цього співвідношення випливає, що чим дальший об'єкт ми спостерігаємо, тим з більшою швидкістю він віддаляється від нас.

Вперше глобальне розширення виявив Е. Хаббл наприкінці 20 років XX століття. Вивчаючи спектри інших галактик, він установив, що спектральні лінії зміщені в довгохвильовий, тобто червоний бік спектра (так зване червоне зміщення). Причому, чим більшою є відстань до галактики, тим більшим виявляється червоний зсув. Коефіцієнт пропорційності Н в формулі (22.1) — це параметр Хаббла, введений у розділі 20.

Глобальне розширення простору Всесвіту називається космологічним і стає помітним тільки для великих відстаней. Не має сенсу говорити про космологічне розширення в межах, скажімо, Сонячної системи, нашої Галактики чи окремо взятої галактики щодо інших у певному скупченні, бо сила гравітаційної взаємодії тут ще здатна протистояти цьому глобальному розширенню. Деякі з близьких галактик навіть наближаються до нас. Але для віддалених об'єктів — скупчень галактик — результуюча швидкість завжди свідчить про зростання взаємної відстані з часом. Простий і наочний приклад, що дозволяє уявити собі глобальне розширення, — це збільшення відстані між будь-якими заданими точками на поверхні повітряної кульки, що надувається.

Інші властивості Всесвіту.

а) Всесвіт в основному складається з речовини та випромінювання. В загальній масі антиречовини фактично не виявлено.

б) Простір Всесвіту можна вважати плоским (іншими словами кривина простору є нульова), а його геометрією, є геометрія Евкліда. Зокрема, тут сума всіх кутів трикутника рівна 180°, а паралельні прямі ніде не перетинаються.

Першою теоретичною моделлю, яка успішно пояснила багато спостережуваних властивостей Всесвіту, стала модель Великого Вибуху. До її розгляду ми звернемося далі.






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.