Космологічні моделі Всесвіту. Всесвіт як ціле вивчає окремий розділ астрономії – космологія. Моделі, за допомогою яких намагаються описати загальні закономірності еволюції Всесвіту як цілого, називають космологічними моделями. Відтоді, як Ісаак Ньютон створив теорію гравітації на підставі закону всесвітнього тяжіння, в астрономії панувала теорія стаціонарного Всесвіту – класична ньютонівська космологія. Вона спиралась на такі постулати: а) Всесвіт завжди був, є і буде стаціонарним, тобто незмінним (змінюватися можуть конкретні космічні системи, але не світ у цілому); б) простір і час абсолютні, метрично нескінченні, однорідні й ізотропні та не залежать від матеріальних об'єктів і процесів, що відбуваються у Всесвіті.

Ньютонівська космологія приховує в собі два парадокси, пов'язані з постулатом нескінченності Всесвіту. Перший парадокс дістав назву гравітаційного. Суть гравітаційного парадоксу: якщо Всесвіт нескінченний і в ньому існує нескінченна кількість небесних тіл, то сила тяжіння буде нескінченно великою і Всесвіт має зазнати колапсу, а не існувати вічно. Другий парадокс називають фотометричним: якщо існує нескінченна кількість небесних тіл, то світність неба має бути нескінченною. Але ми такого явища не спостерігаємо.

Ще один парадокс – термодинамічний – пов'язаний із законами термодинаміки, відповідно до яких будь-яка система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне до найбільш вірогідного рівноважного стану – до стану з максимумом ентропії, за якого теплота рівномірно розподілиться між усіма тілами. А що це означає для Всесвіту? Це означає його «теплову смерть». Всесвіт продовжуватиме своє існування, він не зникне, не перетвориться на ніщо, але всі термодинамічні процеси в ньому повністю припиняться. Висновок про теплову смерть Всесвіту сформулював Рудольф Клаузіус у 1865 р.

Розв'язати ці парадокси покликана сучасна космологія. Першу релятивістську космологічну модель Всесвіту розробив Альберт Ейнштейн у 1917 р. Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченність простору і часу, а також застосував космологічний принцип, згідно з яким наш Всесвіт є однорідним та ізотропним. Поняття однорідності означає – вигляд Всесвіту в один і той самий момент часу не залежить від місця спостереження. Вивчаючи Всесвіт з будь-якої його точки в один і той самий момент часу, ви отримаєте однакові результати. А поняття ізотропності означає – властивості Всесвіту не залежать від напрямку, в якому його спостерігають. Усі напрямки у Всесвіті – рівноправні.

Потрібно зауважити, що на відносно невеликих масштабах (до 80 Мпк, або 260 млн св. р.) «нитки» та «стіни», утворені зі скупчень і надскупчень галактик, що огортають велетенські порожнини – войди, є відхиленням від однорідності. Бо з різних точок цього об'єму картина ближнього Всесвіту буде дещо різною. Але як свідчать астрономічні спостереження: на великих масштабах (більших за 100 Мпк) однорідність розподілу матерії у Всесвіті й відсутність виділених напрямків виконуються з належною точністю.

Космологічну модель Всесвіту Альберт Ейнштейн розробив, спираючись на основне рівняння тяжіння, яке входить до створеної ним загальної теорії відносності (ЗТВ). Це рівняння пов'язує кривизну простору-часу з матерією – речовиною, що заповнює викривлений простір, який розглядають. Згідно із цією теорією, простір і час – величини взаємозалежні. Їх визначає розподіл гравітаційних мас у Всесвіті. А властивості Всесвіту як цілого зумовлені значенням середньої густини речовини та іншими фізичними параметрами. Тобто з рівнянь випливало, що Всесвіт не є стаціонарним, а має або стискатись, або розширюватись.

Альберт Ейнштейн ще передбачав, що викривлення простору-часу масивними об'єктами має породжувати гравітаційні хвилі, які поширюються зі швидкістю світла. Гравітація є найслабшою з-поміж чотирьох фундаментальних сил. Отже, тільки космічні явища колосальних масштабів, як-от зіткнення або взаємодія чорних дір, нейтронних зір або пульсарів, чи вибух наднової, – можуть стати джерелом відчутних для нас гравітаційних хвиль.

Перші докази існування гравітаційних хвиль були отримані в 1974 р., коли в системі однієї з подвійних зір зареєстрували зменшення періоду обертання внаслідок втрати енергії через випромінювання гравітаційних хвиль. За це відкриття американські радіоастрономи Джозеф Тейлор і Расселл Халс у 1993 р. отримали Нобелівську премію.

Зареєструвати гравітаційні хвилі вчені змогли лише в 2016 р. завдяки лазерному інтерферометру гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) (мал. 234, б). За це відкриття Райнер Вайс, Беррі Беріш і Кіп Торн отримали Нобелівську премію 2017 р.

Але на початку ХХ ст. ідеї Альберта Ейнштейна не узгоджувалися з відомими астрономічними спостережними даними. Для тодішних астрономів простір не залежав від часу, а Всесвіт був нескінченним у часі й безмежним у просторі. Щоб отримати розв'язок свого рівняння для статичного й незмінного Всесвіту, Ейнштейн увів до нього безрозмірну космологічну сталу, яка мала протидіяти силам гравітації, тобто діяти у зворотному напрямку й запобігати стисканню.

Коли було з'ясовано, що основне рівняння тяжіння ЗТВ має не одне, а багато розв'язків, з'явились інші космологічні моделі Всесвіту. У 1922 р. російський математик і геофізик Олександр Олександрович Фрідман запропонував розв'язки рівняння тяжіння ЗТВ, з яких випливало кілька сценаріїв розвитку Всесвіту. Серед них був цікавий варіант, коли космологічна стала дорівнювала нулю. Тоді еволюція Всесвіту стає залежною від початкового значення густини речовини, а Всесвіт, заповнений масою, на яку діє сила тяжіння, не може бути статичним. Він має або розширюватися, або стискатися.

Якщо середня густина речовини й випромінювання ρ_с у Всесвіті дорівнює або менша від деякої критичної величини ρ_к, (ρ_с = ρ_к, або ρ_с < ρ_к), то Всесвіт необмежено розширюється від початкового точкового стану (точки сингулярності). Якщо ρ_с більша за ρ_к, (ρ_с > ρ_к), то розширення Всесвіту на якомусь етапі зміниться на стискання, що триватиме аж до точки сингулярності.

Нині, за різними оцінками, значення ρ_к ~ (8 - 9,3)∙10^-30 г/см^-3

Космологічні моделі Всесвіту Фрідмана, як і його попередників, були за своєю суттю математичними моделями. Їх ще треба було перевірити на практиці, виконуючи астрономічні спостереження. І ці спостереження не забарились. У 1926 р. Едвін Габбл виявив факт розбігання галактик.

В результаті створюється нова потужніша чорна діра, а величезна енергія вихлюпується у вигляді гравітаційних хвиль. Подолавши таку відстань, коливання стали настільки незначними, що зафіксувати їх було практично неможливо. На думку вчених, це відкриття породить нову область фізики, гравітаційно-хвильову астрономію, яка зблизить квантову і класичну фізику.

Становлення теорії Великого вибуху. У 1927 р. Жорж Леметр запропонував космологічну модель Всесвіту – теорію Великого вибуху, згідно з якою наш світ виник унаслідок вибуху надгустої матерії («первинного атома»). У 1948 р. одесит, а згодом американський фізик-теоретик і астрофізик Джорж (Георгій) Гамов припустив, що утворені під час періоду анігіляції фотони існують і донині, утворюючи космічний фон. Часто його називають реліктовим випромінюванням, оскільки воно насправді є реліктом ранньої епохи розвитку Всесвіту.

Коли в 1965 р. американські радіоастрономи Арно Пензіас і Роберт Вільсон зареєстрували реліктове випромінювання, це стало одним із доказів на користь теорії Великого вибуху.

Декілька важливих фактів про ВВ:

1. Хоча його називають вибухом, він має зовсім іншу модель. Там не було центру чи зародку, він відбувався одночасно й усюди.
2. Завдяки теорії відомо, звідки у космосі з’явилися Гелій і Гідроген. Цей період формування називають нуклеосинтезом. А більш “важкі” елементи, такі як Оксиген, Залізо та Уран утворили зірки або спричинили нові вибухи.
3. Хойл (який і назвав процес вибухом) насправді був прибічником зовсім іншої теорії походження Всесвіту, але іронічна назва закріпилася краще, ніж оригінальна.
4. Діє космологічний принцип: Всесвіт у будь-який момент та у будь-якій точці виглядає однаковим для спостерігача.

Дослідження тривають, тому людство очікує на нові факти, які хоч трохи відкриють таємничу завісу космічних таємниць.

Альтернативні версії народження Всесвіту

Пояснення теорією великого вибуху не єдиний варіант виникнення світу. Частина з них має коріння у релігійних віруваннях, інші є науковими спробами, підтвердженими дослідженнями.

Стаціонарний Всесвіт

Автором став Ф. Хойл. Одна із найдавніших теорій, якою цікавився ще А. Айнштайн. Хойл підтримував думку, що Всесвіт не має початку чи кінця, а самовідтворюється завдяки постійному поповненню новою матерією.

Цю версію дуже швидко спростували, але саме з неї почався науковий пошук. Учений дослідив виникнення важких хімічних елементів та, за іронією долі, винайшов термін “великий вибух”.

Холодний вибух

Автор – космолог Веттеріх. Він припустив, що виникнення світу сталося не внаслідок розширення й вистигання, а навпаки – стиснення. На той час не було можливостей, щоб довести чи спростувати теорію. Але згодом під час вивчення ядерних реакцій та випромінювання виявилося, що вона помилкова через:

специфічні перетворення речовин, які утворюють Гелій, а не Гідроген. Саме з останнього утворюються молоді зірки й міжзірковий газ; неможливість точного вимірювання, адже предмета слугують лише співвідношення мас, а не самі маси.

Один фізик сказав, що холодний вибух подібний до твердження, що стискається не Всесвіт, який вимірюють, а лінійка, якою це роблять.

Дзеркальний Всесвіт

Складна версія авторства вченого із Оксфордського університету. Д. Барбур стверджує, що під час ВВ утворилося два Всесвіти, які відповідно розширилися в обидва боки, утворюючи ще більш складну систему.

Його теорія доводить, що ця система створила дві стріли часу, які рухаються одна від одної в різних напрямках. Відповідно, у кожному Всесвіті час тече у різні боки (тобто, не тільки вперед, як у традиційному баченні). Імовірно, спостерігачам у іншій системі видаватиметься, що ми живемо у їх далекому минулому й рухаємося назад.

Циклічна космологія

Фізик Пенроуз із Британії доводить, що великий вибух не був початком чи кінцем народження Всесвіту, а лише перехідним етапом. На його думку, з плином часу Всесвіт змінює свою геометрію, стає більш заплутаним і доходить до поглинання самого себе. Коли він максимально поширився й самопоглинувся, енергію захоплюють чорні діри, які в свою чергу також взаємопоглинаються.

А коли частинки досягають нульової ентропії, вони готові утворити новий великий вибух. Тоді цикл повторюється. Поки що єдиним доказом теорії є 12 реліктових кілець випромінювання, що демонструють перепади гравітаційних хвиль під час зіткнення масивних чорних дір.

Плазмовий Всесвіт

Базується на тому, что Космос складається з гігантських витків електронів та йонів, які скручуються та скупчуються під дією електромагнітного випромінювання. Частково версія пояснює поглинання радіохвиль, наявність надлегких речовин у складі космічних об’єктів. Але наукових доказів було недостатньо: більшість аргументів зводилася до умовностей і припущень у теорії ВВ, які суперечать закону збереження енергії.

Прибічники плазмової природи галактик не змогли підкріпити свою думку дослідами чи розрахунками, тому вона залишаєтьсявірогідною, але не доведеною.

Це лише деякі з наявних припущень, які намагалися довести спостереженням чи дослідженнями. Існують і фантазійні версії, що були спростовані науковцями одразу ж після появи. Окремою темою є міфологічне чи релігійне бачення зародження світу.

Теорія гарячого Всесвіту – теорія фізичних процесів у Всесвіті, що розширюється, за якою в минулому Всесвіт мав значно більшу ніж сьогодні густину матерії та дуже високу температуру. Першим цю теорію запропонував Джордж Гамов у 1948 для пояснення розповсюдженості хімічних елементів та їхніх ізотопів.

На початку розширення Всесвіту при великій температурі в умовах термодинамічної рівноваги з речовиною повинно було перебувати електромагнітне випромінювання. У міру розширення речовина та випромінювання охолоджуються, і до сьогоднішнього часу у Всесвіті має існувати низькотемпературне випромінювання (його називають «мікрохвильовим фоновим випромінюванням» або реліктовим випромінюванням), для якого речовина сьогоднішнього Всесвіту практично прозора. Існування у Всесвіті такого випромінювання, яке має температуру всього декілька кельвінів, було передбачене Джорджем Гамовим.

У 1964 А. Г. Дорошкевич та І. Д. Новиков вперше розрахували широкий спектр густини електромагнітного випромінювання від всіх джерел у Всесвіті, що еволюціонує (включаючи радіогалактики та зорі) і показали, що в області сантиметрових та міліметрових хвиль інтенсивність реліктового випромінювання з температурою близько 1К та вище буде на багато порядків перевищувати випромінювання окремих джерел, і воно може бути експериментально виявлене. Реліктове випромінювання було експериментально відкрите Арно Пензіасом та Робертом Вудро Вільсоном у 1965 році на довжині хвилі 7,3 см. Експериментальне спостереження реліктового випромінювання стало вирішальним фактором, який підтвердив справедливість гіпотези про високу первинну температуру Всесвіту. Наступні дослідження показали, що реліктове випромінювання дійсно є рівноважним, як і передбачала теорія, і має температуру 2,7 К. У далекому минулому густина випромінювання була більша за густину речовини. Дійсно, із розширенням Всесвіту енергія кожного кванта зменшується пропорційно його частоті через червоне зміщення, тобто пропорційно збільшенню просторових масштабів.

При дуже великих густинах та температурах всі процеси взаємодії часток протікають надзвичайно швидко, значно швидше зміни фізичних умов внаслідок розширення Всесвіту, і тому ми маємо термодинамічну рівновагу між усіма сортами частинок (та їхніх античастинок), які можуть народжуватися при енергіях, відповідних до даної температури.

При досягненні температури 4000 К протікає рекомбінація протонів та електронів, після чого рівновага утвореної нейтральної речовини (водню та гелію) з випромінюванням порушилася — кванти випромінювання вже не мали необхідної для іонізації речовини енергії і проходили через нього, як через прозоре середовище. Температура обособленого випромінювання продовжувала знижуватися і до нашої епохи склала величину близько 3 К. Таким чином, це випромінювання збереглося досі як релікт від епохи рекомбінації та утворення нейтральних атомів водню та гелію.

У рамках теорії про гарячий Всесвіт є один делікатний момент пов'язаний із адіабатичним характером розширення Всесвіту. Справа в тому, що для адіабатичного розширення за умовчанням необхідна «замкнута термодинамічна система». Звичайно можливі адіабатичні процеси і для незамкнених систем, котрі протікають достатньо швидко (зменшення температури Всесвіту до 4000 К якраз і підходять до цього типу процесів). Проте подальший процес зменшення температури Всесвіту від 4000 К до сьогоднішнього значення 2,7 К протікав майже 15 млрд років, і тому за умовчанням вимагав замкненості Всесвіту, про що в сучасних теоріях навіть не згадується.

Другий неприємним момент пов'язаний з тим, що температура 2,7К пов'язана з т.з. «близьким горизонтом», при чому густина реліктового випромінювання порядку 4·10−13ерг/см3. Проте швидкість світла постійна, і тому електромагнітні хвилі з «дальнього горизонту» несуть нам інформацію про минуле. На краю Всесвіту з минулого, що відстає від сучасності майже на 15 млрд років. Тому природним чином виникає тривіальне запитання, чому і ці фотони реліктового випромінювання також мають температуру 2,7К, а не наприклад 4000К? Звичайно їх густина буде значно менша ніж для «близького горизонту», але ж вони повинні бути. Невже і вони «старіють» синхронно із розширенням Всесвіту. Тоді виникає запитання чому це «старіння» чітко синхронізується із «старінням» фотонів «близького горизонту»?

Виявлення реліктового випромінювання стало важливим аргументом на підтримку теорії Великого вибуху. Це відкриття спростовувало теорію стаціонарного Всесвіту.

Прихильники теорії стаціонарного Всесвіту (альтернатива теорія Великого вибуху) стверджують що реліктове випромінювання – це розсіяне світло далеких галактик. Якби це було так, графік спектру не мав би упорядкованого вигляду. А з теорії Великоговибуху спектр повинен мати чітку форму – тобто спектр чорного тіла повинен вказувати на ідеальний випромінювач. Коли був отриманий графік спектра реліктового випромінювання, він точно збігся з цією фігурою. І оскільки це говорить про те, що спектр не зазнав ніяких змін з моменту народження Всесвіту, теорія Великого вибуху була доведена, а концепція Всесвіту, що постійно оновюється – спростована.

Відкриття реліктового випромінювання забезпечило астрономів новою інформацією. Довгий час вчені вважали, що галактики розташовані рівномірно. Однак чергування гарячих і холодних плям в реліктовому випромінюванні вказує на помилковість цього припущення.

Також, завдяки реліктовому випромінюванню, вченим вдалося отримати уявлення про структуру Всесвіту на її ранніх стадіях розвитку (астрономи називають це «дитячими знімками» Всесвіту). Перша карта реліктового випромінювання всього неба була отримана в 1992 році завдяки супутнику СОВЕ (Cosmic Background Explorer). У 2003 році ще більш детальну карту склав новий супутник WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Це дозволило визначити точний вік Всесвіту – 13,7 млрд років.

Слабке реліктове випромінювання несе нам відомості про перші миттєвості існування нашого Всесвіту, про ту далеку епоху, коли весь Всесвіт був гарячим і в ньому ще не існувало ні планет, ні зірок, ні галактик. Проведені в останні роки детальні вимірювання цього випромінювання за допомогою наземних, стратосферних і космічних обсерваторій відкривають завісу над таємницею самого народження Всесвіту.