1.2 Второй этап

Сейчас существуют две фундаментальные космологические модели, одна из которых показывает, что Вселенная однородна по всему пространству, другая упорно демонстрирует ее неоднородность. Верны обе теории, так как имеет влияние масштаб, на котором изучается структура Вселенной. Но в большей мере доминирует модель однородная, изотропная, расширяющаяся, а неоднородности наблюдаются на поздних стадиях расширения. Эти предположения подкреплены наблюдательными данными. И, все-таки, почему именно эта модель занимает лидирующие позиции?

Как уже было отмечено, космологические модели Фридмана являются фундаментальными. Эти модели имеют высокую симметрию и шестую параметрическую группу движений. Полная группа всех пространственных движений включает в себя три трансляции и три поворота. Последнее свойство допускает представление всех скаляров (a, H, с, p, …) модели в виде функции одной координаты t. Это утверждение связано с однородностью. Однородность предполагает существование группы движений, совмещающих пространство с самим собой. При нарушении фридмановской симметрии пространство остается однородным, если преобразования группы сохраняют три трансляции.

Однородность пространства можно наглядно рассмотреть на примере Местной группы галактик, включающей в себя на данный момент более трех спиральных галактик: Млечный путь, Туманность Андромеды (М31, NGS 224) и галактику в созвездии Треугольник (М33, NGS 598) [9], а также несколько десятков неправильных, карликовых эллиптических галактик (крупнейшие представители - Магеллановы Облака). Размеры скоплений галактик в среднем несколько Мпк. Это гораздо меньше размеров Метагалактики (несколько тысяч Мпк).

Однородность распределения вещества во Вселенной можно обосновать с помощью подсчета числа галактик до определенной видимой звездной величины т:

, (1)

где и - число объектов (в данном случае, галактик), видимые звездные величины которых меньше или равны (т+1) и т соответственно.

Это отношение приблизительно равно четырем. Это говорит о том, что во всех направлениях галактики распределены равномерно [10].

Наряду с этими понятиями космология также рассматривает такие свойства Вселенной, как изотропия. По этой теории во Вселенной отсутствует какое-либо преимущественное направление (например, оси вращения). Изотропия подтверждается наблюдательными данными[11, 12].

Рисунок 2 - Скопление галактик в местной группе

Предположения об однородности и изотропии Вселенной являются космологическим принципом. Если вещество, находящееся во Вселенной, удовлетворяет этому принципу, то оно должно либо под действием гравитационного взаимодействия сжиматься, либо, обладая достаточным запасом кинетической энергии, расширяться. Тут необходимо вспомнить закон Хаббла, который прекрасно ложиться на модель однородной изотропной Вселенной:

, (2)

где c - скорость светаа в вакууме, м/с;

л - длина волны, м;

Н - постоянная Хабла, ;

r - радиус, Мпк.

При Н=0 расширения нет. Это неустойчивое состояние. Если взять сферу радиусом R(t), массу m, заключенную в этой сфере, с помощью (2) можно найти критическую плотность:

, (3)

Где с - критическая плотность, г/см³;

р - постоянная величина;

G - гравитационная постоянная.

Этот результат справедлив для любых, сколь угодно больших масштабов.

По результатам наблюдений и теоретических исследований определено, что в настоящее время критическое значение плотности Метагалактики 10^-29 г/см³. С учетом массы несветящегося вещества эта цифра немного меньше критической - 10^-30 г/см³. Наблюдаемое видимое вещество составляет примерно 1% от критической плотности. А с учетом невидимого вещества эта оценка не привышает 5%. Небарионная часть массы может достигать 25 - 30%. Но на основании данных по изучению реликтового излучения получен вывод, что средняя плотность Вселенной близка к критической, но 60 - 70% приходится на плотность темной энергии.

Таким образом, модель однородной изотропной Вселенной имеет право на существование. Ее реальность подтверждена как теоретическими, так и наблюдательными исследованиями. Примерами могут послужить наблюдения и анализ скоплений галактик в созвездиях Волосы Вероники, Девы, Геркулеса и многих других. Все эти исследования проводились в среднем на участке неба 12⁰. Что касается исследования положения скоплений галактик в области диаметром несколько сотен Мпк, то проявляется иная картина.

Рисунок 3 - Скопление галактик в созвездии Дева