1. Красное смещение, расширение и возраст Вселенной.
В начале прошлого века было обнаружено смещение спектральных линий химических элементов во многих галактиках в красную часть спектра. Причем для большиства галактик соблюдалась закономерностть - красное смещение галактики тем больше, чем меньше ее наблюдаемая звездная величина и чем меньшую площадь занимает она на небосводе. Естественно, возникло подозрение о разбегании галактик от нас, как наблюдателей. Прогрессирующем с увеличением расстояния от нас.
Измерение расстояний до галактик в те времена проводилось в основном по переменным звездам, для которых была хорошо известна связь между их абсолютной светимостью и периодом из переменности (цефеиды). В результате стало ясно, что красное смещение спектров галактик обусловлено эффектом Допплера. Другими словами - достаточно удаленные галактики "убегают" от нас. С тем большей скоростью, чем дальше они от нас.
Это разбегание галактик описывается закономерностью, предложенной Хабблом:
V = H * R,
где V - скорость удаления галактики от нас (км/сек), H - постоянная Хаббла (км/сек/Мпк ~ 1/сек), R - расстояние до галактики (Мпк), Мпк (мегапарсек) = 3,26 млн. св. лет. По последним наблюдательным данным Н = 72 км/сек/Мпк с погрешностью не более чем плюс-минус 3 км/сек/Мпк.
Если эту закономерность применить к ближайшей к нам крупной галактике - туманности Андромеды, удаленной от нас на ~ 0,7 Мпк, то она должна будет удаляться от нас со скоростью ~ 50 км/сек. На самом деле она приближается к нашей Галактике со скоростью чуть больше 100 км/сек. Это объясняется тем, что в группах и скоплениях галактик хаотические скорости последних должны быть не меньше нескольких сотен км/сек с тем, чтобы противостоять гравитационному самосжатию групп и скоплений. Поэтому установленная Хабблом закономерность удовлетворительно начинает работать для галактик, удаленных от нас на два-три десятка мегапарсек (60-100 млн. св. лет). И чем дальше от нас наблюдаемая галактика, тем с большей точностью выполняется закон Хаббла.
Если предположить, что постоянная Хаббла не изменяется со временем, то из линейной экстрапляции закона Хаббла в прошлое следует, что был момент времени, когда плотность материи во Вселенной была бесконечной. Другими словами, имело место рождение Вселенной . Легко видеть, что размерность постоянной Хаббла есть [1/сек]. Естественно предположить, что момент рождения Вселенной отстоит в прошлое от нашего времени на величину Т ~ 1 / Н. И если перевести мегапарсеки в километры (1 Мпк = 3,1 * 10**19 км), а секунды в года (1 год = 3,15 * 10**7 секунд), то нетрудно видеть, что Т ~ 1 / Н ~ 13,7 млрд. лет. Это и должно быть оценкой возраста Вселенной в первом приближении. И, действительно, по современным представлением возрастом Вселенной считается 13,8 млрд. лет с погрешностью порядка 20 млн лет.
2. Реликтовое излучение.
Вселенную помимо наблюдаемого вещества заполняет еще и электромагнитное излучение. Спектр его (распределение энергии излучения по длинам волн) тепловой и соответствует температуре ~ 2,72 градуса Кельвина (максимум интенсивности на длине волны около 1,9 миллиметра). Поскольку вглубь времен Вселенная была заметно плотнее, температура этого излучения в прошлом должна быть заметно выше. И чем глубже в прошлое, тем выше была бы эта температура.
Расчеты показывают, что примерно 380 тысяч лет с предполагаемого момента рождения Вселенной температура этого излучения была такой, что энергия большей части его фотонов была достаточна для ионизации атомов водорода. Из чего следует, что еще ближе к моменту рождения Вселенной она представляла из себя смесь протонов, нейтронов, электронов и фотонов с малой примесью альфа-частиц (ядер гелия). А нейтральных атомов водорода и гелия практически не было. Как не было и атомов других элементов таблицы Менделеева.
По описанным выше причинам это излучение, практически однородно и изотропно заполняющее ныне Вселенную, называют реликтовым.
3. Гипотеза Большого взрыва.
С учетом изложенного выше мы понимаем, что чем ближе к моменту рождения Вселенной, тем выше энергия заполняющих ее частиц. Другими словами - тем выше температура заполняющего ее вещества. И если в эпоху до ~ 380 тысяч лет с момента рождения Вселенной заполняющее ее вещество уже представляло собой плазму практически без нейтральных атомов, то чем ближе к моменту рождения Вселенной, тем выше была температура этой плазмы.
Расчеты показывают, что при приближении к моменту ~ 0,01 сек от рождения Вселенной температура этой плазмы (энергия составляющих ее частиц) достигала величин, сопоставимых с энергией связи кварков в протонах и нейтронах. Откуда следует, что в "эпоху" более близкую к моменту рождения Вселенной последняя представляла из себя чрезвычайно плотную и горячую кварк-глюонную кашу.
Более близкие к моменту рождения Вселенной "эпохи" мы обсуждать не будем. Поскольку однозначно заслуживающих доверие теорий об этих "эпохах" нет. Да и экспериментально или в наблюдениях существующие теории проверить невозможно.
В целом описанную выше часть эволюции Вселенной принято называть Большим взрывом.
4. Гипотеза темных материи и энергии.
На предыдущем занятии мы уже обсуждали сформулированную еще в 1930-х проблему скрытой массы. Состоящую в том, что наблюдаемого астрономами вещества в галактиках и их скоплениях явно не достаточно для объяснения наблюдаемых скоростей движения звезд и газа в тех же галактиках и их скоплениях.
Несмотря на некоторый прогресс в решении этой проблемы (учет масс горячих и холодных облаков газа, масс звезд, излучающих в основном в частях спектра. для которых земная атмосфера непрозрачна, оценку масс разного типа черных дыр и других факторов) однозначного решения этой проблемы пока не произошло. И в ближайшем будущем вряд ли произойдет. В этих условиях в 1980-х проблема скрытой массы была переформулирована в гипотезу о существовании во Вселенной неких темной материи и темной энергии (ТМ и ТЭ).
За прошедшее после рождения этой гипотезы время никаких конкретных результатов в обнаружении ТМ и ТЭ не было получено. Хотя обосновывающих существование ТМ и ТЭ гипотез и теорий создано было не мало. Для проверки которых было проведено и множество экспериментов и наблюдений. Вплоть до экспериментов по поиску разного типа частиц, практически не взаимодействующих с обычным веществом (так называемых ВИМПов).
Честно признаться, к идее существования ТМ и ТЭ я отношусь с большим скепсисом. Ибо история с ними напоминает мне историю со светоносным эфиром. Придуманном еще в начале 18-го века. В те времена любые волны по понятиям тогдашних физиков обязательно должны были распространяться в некоей субстанции, а не в вакууме. И, следовательно, измеряемая наблюдателем скорость света, как электромагнитной волны, должна зависеть от того, с какой скоростью этот наблюдатель движется относительно такой субстанции - светоносного эфира.
К концу 1880-х техника эксперимента уже позволяла определить известную по другим измерениям разность скоростей Земли относительно светоносного эфира на противоположных точках диаметра ее орбиты вокруг Солнца (она ~ 60 км/сек). И начиная с опыта Майкельсона-Морли (1887) эксперименты с увеличивающейся год от года точностью показывали что скорость света не зависит от скорости движения наблюдателя относительно светоносного эфира. Так физики избавились от умопомрачения придуманной ими же избыточной сущностью - светоносным эфиром. О чем их предупреждал еще средневековый монах-философ Оккам (бритва Оккама).
История с идеей ТМ и ТЭ скоро не не закончится. И как она закончится - пока не ясно. Но с борьбой идей, концепций и доказательств данными наблюдений существования или не существования ТМ и ТЭ вы можете подробно ознакомиться в постах в моем блоге по метке "Темная материя" (их там порядка десятка).
Journal information