§ 7.1. Современные представления о строении и эволюции Вселенной. Модели Вселенной. “Горячая модель”

В 20-е годы 20 в. на основе общей теории относительности Эйнштейна были созданы так называемые однородные и изотропные модели Вселенной. Эти модели опираются на основной космологический постулат.

Рассмотрим основные положения так называемой «горячей модели» Вселенной.

Примерно 10–13 миллиардов лет назад, в начальный момент времени, радиус Вселенной был равен нулю. В нулевом объеме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся ее масса. Плотность энергии бесконечна, бесконечна и плотность вещества. Подобное состояние называется сингулярным.

Начало расширения Вселенной условно называют «Большим Взрывом».

По теоретическим расчетам, в течение первых 10^-36 с, когда температура Вселенной была больше 10²⁸ К, энергия в единице объема оставалась постоянной, а Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, но само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной. Из современных теорий квантовой физики следует, что в это время сильное ядерное взаимодействие отделилось от электромагнитного и слабого. Выделившаяся в результате подобного нарушения симметрии энергия и явилась причиной катастрофического расширения Вселенной, которая за крошечный промежуток времени в 10^–33 с увеличилась от размеров атома до размеров Солнечной системы. В это же время появились привычные нам элементарные частицы и чуть меньшее из-за спонтанного нарушения симметрии количество античастиц.

Спустя несколько секунд после Большого Взрыва началась стадия первичного нуклеосинтеза, когда образовывались ядра тяжелого водорода и гелия, продолжавшаяся около трех минут; затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной.

Примерно через миллион лет после взрыва равновесие между веществом и излучением нарушилось, из свободных протонов и электронов начали образовываться атомы, а излучение стало проходить через вещество, как через прозрачную среду. Именно это излучение назвали реликтовым, его температура была около 3000 К.

После рекомбинации вещество начало эволюционировать самостоятельно, появились протогалактики. Там, где плотность была чуть больше средней, образовались очаги притяжения, области с пониженной плотностью делались все разреженнее, так как вещество уходило из них в более плотные области. Именно так практически однородная среда разделилась на отдельные галактики и их скопления, а спустя сотни миллионов лет появились первые звезды.

Убедительным подтверждением гипотезы «Большого Взрыва» и модели горячей расширяющейся Вселенной явилось обнаружение в 1965 г. космического радиоизлучения, максимум энергии которого приходился на длину волны около 1 мм, что соответствует температуре около 3 К. Отличительной чертой данного излучения являлась одинаковость его интенсивности по всем направлениям (изотропность). Именно этот факт и позволил выделить столь слабое излучение, которое не удавалось связать ни с каким объектом или областью на небе. Данное излучение было отождествлено с рассмотренным выше реликтовым излучением.

До сих пор остается открытым вопрос: что существовало до начала расширения Вселенной? Такая же Вселенная, как и наша? Или совершенно другой мир с иными законами природы? Решать эти проблемы нам еще предстоит.

Космологические модели Вселенной предлагают два варианта ее эволюции из начальной сингулярности. По первому варианту расширение Вселенной будет происходить бесконечно, по второму  достигнув определенных размеров, Вселенная начнет сжиматься. Ход эволюции реальной Вселенной зависит от средней плотности вещества в настоящее время. Критическое значение плотности выражается через постоянную Хаббла Н и гравитационную постоянную G следующим образом:

Если , то расширение Вселенной сменится катастрофическим сжатием, Вселенная закончит свою жизнь в гравитационном коллапсе. Если же , то расширение будет продолжаться бесконечно, этот вариант называется «открытая Вселенная».

Определить постоянную Хаббла с высокой точностью очень непросто. Галактики часто имеют довольно высокие скорости (до тысяч км/с), не связанные с космологическим расширением. По современным данным значение H лежит в интервале 60–80 км/(с∙Мпк).

Определить из наблюдений истинную плотность материи еще сложнее. Плотность наблюдаемого вещества во Вселенной близка к 3∙10^–34 кг/м³, то есть меньше критической, поэтому Вселенная должна неограниченно расширяться. Однако, произведенный в последнее время учет скрытой массы и массы физических полей (согласно общей теории относительности) приближает истинную среднюю плотность Вселенной к критическому значению. При этом видимое вещество дает вклад только 5%.