Фридмановские модели Вселенной

Физик-теоретик А.А. Фридман (1888-1925) (Сов. Россия, 1922 г.) показал, что уравнения ОТО Эйнштейна приводят к гравитационной неустойчивости Вселенной и в зависимости от средней плотности вещества и излучения в ней возможны три сценария эволюции Вселенной (космологические модели Фридмана).

1 ) Если плотность массы вещества и излучения во Вселенной  > r_кр - больше некоторой критической (r_кр » 10^-29 г/см³), то как предложил сам Фридман, согласно ОТО Вселенная должна расширяться от первоначального точечного состояния до полного его прекращения, после чего Вселенная начнет сжиматься вплоть до первоначального состояния (кривая 1).

Пространство Вселенной с положительной кривизной и подчиняется геометрии Римана.

2) Если  = r_кр - равна критической плотности, то Вселенная плоская, обладает нулевой кривизной, пространство в ней подчиняется геометрии Евклида – Вселенная открытая с постоянным расширением (кривая 2).

3) Если  < r_кр - меньше критической плотности, то Вселенная с отрицательной кривизной (геометрия Лобачевского) и Вселенная должна неограниченно расширяться (кривая 3).

В 1927 г. Ж. Леметр показал плотность вещества во Вселенной с минимальными размерами (в сингулярном состоянии) порядка 10⁹³ г/см³, т.н. сингулярный «протоатом» оказался в неустойчивом состоянии и «взорвался».

Концепция эволюции Вселенной, основанная на предположении о взрыве протоатома, получила название концепции Большого взрыва.

Открытие в 1929 г. Э. Хабблом «красного смещения» линий в спектрах излучения галактик, другими словами разлета галактик, увеличении расстояния между ними, экспериментально подтвердило вывод Фридмана о расширении Вселенной. (Соотношение v = H×r, v – скорость удаления галактики, H = 50 – 100 км/с×Мпк – постоянная Хаббла, r – расстояние до галактики в парсеках, 1 пк » 3,1×10¹⁶ м).

Величина  = 1/H, обратная постоянной Хаббла, называется космологическим временем, она определяет возраст Вселенной. Возраст Вселенной оценивается в 13,7 млрд лет (если Н » 75 км/с×Мпк, то  » 13,5 млрд лет).

Согласно ОТО, R = с (произведение скорости света на время жизни Вселенной) определяет т.н. радиус космологического горизонта R, равный 10²⁶ м, ежесекундно радиус этого горизонта увеличивается на 310⁸ м. Принципиально «заглянуть» за пределы космологического горизонта нельзя (информация «оттуда» должна распространяться со скоростью больше скорости света).

На мегауровне организации материи гравитационные взаимодействия являются доминирующими. Реально наблюдаемые астрофизические явления свидетельствуют:

1) космическое пространство однородно и изотропно 2) световой поток, приходящий из космоса, обладает конечной интенсивностью, 3) о красном смещении в спектрах излучения далеких звезд, 4) о существовании реликтового излучения (фона электромагнитных волн, соответствующего температуре  3 К).

Общепризнанна модель расширяющейся Вселенной - модель Фридмана (красное смещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера), глобально искривленной из-за наличия гравитирующих масс. В двух ее модификациях:

1. Замкнутая модель Вселенной (геометрический аналог - расширяющаяся гиперсфера) предсказывает постепенное замедление расширения гравитационными силами с последующим переходом к сжатию. В такой «закрытой» модели предполагается, исходя из общей массы Вселенной 10⁵² т примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься и через последующие 50 млрд лет вновь вернется в сингулярное состояние (полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет порядка 100 млрд лет).

2. Открытая модель (геометрический аналог – «седло») замедляющееся расширение, происходящее бесконечно долго. В настоящее время наблюдаемая концентрация звезд, показывает, что гравитационные силы не способны остановить происходящее разбегание галактик. Предполагается, что уже через 10¹⁴ лет многие звезды остынут, через 10¹⁹ лет большая часть остывших звезд покинут свои галактики в виде «черных карликов», центральные области галактик превратятся в «черные дыры». В дальнейшем прогнозируется «тепловая смерть» Вселенной с конечным состоянием из сверхдлинных квантов и электронно-позитронной плазмы.

Но в пользу закрытой модели будет открытие т.н. скрытых масс несветящегося вещества (например, ненулевой массы покоя нейтрино).

С другой стороны уравнения ОТО оказались таковыми, что допускают наличие большого числа космологических моделей Вселенной и сценариев их временного развития.

Модель «горячей» Вселенной

К модели «горячей Вселенной» или «Космологии Большого Взрыва» пришел Дж. Гамов, его интересовала относительная распространенность и происхождение химических элементов во Вселенной (знаменитая А-Б-Г – теория - Альфера, Бете и Гамова, 1948 г.).

Стандартная модель Вселенной основана на пяти экспериментальных фактах, которые теоретически интерпретируются ОТО.

1. Химический состав Метагалактики един: 77% водорода, 22% гелия, 0,8% кислорода, 0,1% железа, 0,1% остальные элементы.

2. Обнаружение «красного смещения» галактик (Эдвин П. Хаббл, 1929 г.) и установление закона «разбегания» галактик во Вселенной, иначе расширения Вселенной или нестационарности.

3. Открытие фонового или реликтового излучения (Арно Пензиас и Роберт Уилсон, 1965 г.): все мировое пространство заполнено равновесным фотонным газом с температурой 2,7 К (2,752 К с колебаниями около 20 К).

4. Крупномасштабное распределение галактик соответствует некоторой постоянной плотности массы равной 0,3 барионов/м³. В 1958 г. Ян Х. Оорт дал оценку средней плотности барионной материи   1,710^-29 г/см³ или нуклонная плотность n_n  310^-7 1/см³ = 0,3 барионов/м³.

5. По косвенным данным радиоактивного распада в метеоритах, возраст некоторых компонентов метеоритов 14 – 24 млрд лет. «Космическими часами» - служат радиоактивные атомные ядра с большими периодами полураспада тория, урана, плутония, йода, лютеция, гафния, рения, осмия. Возраст метеоритов установлен в пределах 17,6 млрд лет  4 млрд лет.

«Физика» Вселенной в модели «горячей» Вселенной начинается с момента времени 10^-36 – 10^-35 с от начала Большого взрыва: материя представляла собой «горячую плазму» с температурой 10²⁹ К из элементарных частиц-«лептокварков», т.е. появились частицы, обладающие признаками лептонов и кварков, при их взаимодействии вещественная материя стала преобладать над антивеществом.

В момент времени 10^-35 с в области температур 10²⁹ - 10²⁸ К произошла генерация барионного заряда материи – это эпоха рождения барионного избытка.

При температурах плазмы 10¹⁷ - 10¹⁶ К (10^-10 с от БВ) имел место электрослабый фазовый переход – расщепление его на электромагнитное и слабое взаимодействия.

При температурах плазмы 10¹² - 10¹¹ К (10^-4 с от БВ) кварки объединяются в протоны и нейтроны, кварки уже не могут существовать в свободном состоянии, наступило явление «невылетания кварков» или конфайнмент – эпоха конфайнмента кварков, до нее было состояние «кваркового супа»

При температурах 10¹⁰ – 10⁹ К (в интервале от 1 до 200 с от БВ) произошел синтез легких ядер (водорода и гелия) – это эпоха первичного нуклеосинтеза как заключительная стадия ранней Вселенной.