Еволюція космологічних уявлень про будову Всесвіту

У 1922-1924 роках А. А. Фрідман створив теорію розширюваного Всесвіту на основі релятивістської теорії тяжіння Ейнштейна (загальної теорії відносності). А. А. Фрідман виходив з припущення, що у великих масштабах (за сучасними даними це — сотні мільйонів світлових років і більше) речовина досить однорідно розподілена в просторі і всі напрямки рівноправні (властивість ізотропії). Тоді на великомасштабний розподіл речовини діє тільки сила всесвітнього тяжіння. Вона неминуче призводить до нестатичності речовини Всесвіту. Всесвіт не може бути статичним і, як наслідок цього, повинен змінюватися, еволюціонувати — такий був висновок Фрідмана. Значення цього висновку важко переоцінити. До робіт Фрідмана протягом століть вчені припускали незмінність Всесвіту в цілому. Подолання вікової інертності людського мислення було найбільшим науковим подвигом.

У 1929 році американський астрофізик Е. Хаббл, використовуючи спостереження руху галактик, довів, що Всесвіт розширюється і дійсно нестаціонарний. Галактики (як з’ясувалося пізніше – скупчення галактик) віддаляються одна від одної, і швидкість їх віддалення пропорційна відстані між ними. Віддалення інших зоряних систем від нашої галактики викликає «почервоніння» світла в їх спектрах через ефект Доплера (червоне зміщення). Виявлення цього ефекту і стало початком спостережної космології.

Відкриття Фрідмана і Хаббла, які довели глобальну еволюцію Всесвіту, — видатне досягнення людського розуму. З цих відкриттів почався період вивчення «механіки Всесвіту», вивчення законів його розширення. Послідували численні теоретичні та наглядові роботи, що перевіряють правильність отриманого Закону розширення Всесвіту.

Необхідно відзначити, що теорія розширюваного Всесвіту далеко не відразу завоювала загальне визнання. У 30-ті роки і пізніше неодноразово намагалися дати інше (відмінне від ефекту Доплера) пояснення червоному зсуву в спектрах галактик. Наприклад, висловлювалося припущення, що фотони, поширюючись в космічному просторі, мимовільно розпадаються з випуском якихось частинок і в результаті втрачають енергію і «червоніють» («старіють»).

В даний час встановлено, що зміщення радіолінії нейтрального водню (частота 1420 МГц), що реєструється у випромінюванні галактик, точно таке ж, як і спектральних ліній в оптичному діапазоні (частота близько 10е МГц). Значить, припущення про «старіння» фотонів (почервоніння їх з часом) відпадає. Не увінчалися успіхом й інші спроби «недоплерівських» пояснень червоного зміщення. Єдиним прийнятним поясненням є віддалення галактик одна від одної – розширення Всесвіту.

Все, що говорилося досі про космологічне розширення, відносилося до моделі Всесвіту, в якій речовина розподілена однорідно. Тепер же належало врахувати реальну неоднорідність розподілу матерії в просторі. Робота в цьому напрямку була розпочата А. Л. Зельмановим. Він досліджував закони еволюції Всесвіту, відкинувши припущення про однорідність розподілу матерії і рівноправності всіх напрямків у просторі.

З’ясування механіки розширення Всесвіту стало лише початком вивчення його еволюції. Треба було встановити, які фізичні процеси протікали в розширюваному Всесвіті перш, які йдуть зараз, які очікуються надалі.

У минулому в розширюваному Всесвіті відстані між галактиками були меншими, ніж зараз, і існувала епоха, коли окремих галактик свідомо не могло бути. У ранні епохи розширення не могли існувати взагалі ніякі окремі небесні тіла – стан речовини Всесвіту зовсім не був схожий на сучасний. Знадобилося вивчити фізику цього стану, процеси виникнення небесних тіл і їх систем. З теорії Фрідмана випливало, що розширення Всесвіту почалося в деякий момент часу в минулому. За сучасними оцінками, цей «момент», що отримав назву сингулярності, відстоїть від нас на 15-20 млрд. років.

Питання про сингулярність викликало (і викликає зараз) особливо багато суперечок серед фізиків і філософів. Що послужило причиною розширення Всесвіту? Що було до сингулярності?

Розвиток фізики, створення великих оптичних і радіотелескопів, а потім настання ери космічних досліджень, коли з’явилася можливість винести приймачі випромінювання за межі земної атмосфери, створили фундамент для наукової космології, що міцно спирається на дані спостережень.

Видатне значення мала робота Е. М. Ліфшиця, виконана в 40-х роках минулого ХХ століття. У ній досліджувалося зростання малих спочатку відхилень від однорідної моделі Всесвіту, запропонованої Фрідманом. Ця робота заклала фундамент теорії гравітаційної нестійкості розширюваного Всесвіту – сучасної теорії виникнення структури Всесвіту.

Е. М. Ліфшиц показав, що невеликі неоднорідності розширюваної речовини поводяться по-різному в залежності від того, який тиск речовини. Якщо тиск великий і по порядку величини можна порівняти з повною щільністю енергії матерії (ця умова дотримується при високій температурі), тоді, незважаючи на те, що в області згущень речовини сили тяжіння прагнуть ще більше збільшити неоднорідність, потужні сили тиску перешкоджають цьому, в результаті чого виникають лише звукові хвилі постійної амплітуди. Такі згустки не здатні стати великими, утворення ізольованих тіл неможливо. Якщо ж тиск незначний, то сили тяжіння збирають речовину в згустки, формуючи небесні тіла. Щоб вирішити проблему виникнення структури Всесвіту, необхідно було з’ясувати фізичні умови на початку розширення і в першу чергу визначити, чи була речовина гарячою або холодною. Від відповіді на це питання залежало і вирішення багатьох інших проблем. Головна з них — проблема походження хімічних елементів.

Гарячий Всесвіт

В кінці 40-х років Г. А. Гамов висловив припущення, що на початку розширення Всесвіту температура речовини була великою. Він запропонував гіпотезу гарячого Всесвіту, прагнучи пояснити поширеність різних ядер та ізотопів хімічних елементів. Час, що минув з початку розширення Всесвіту, оцінювався тоді в кілька мільярдів років, і Г. А. Гамов вважав, що практично всі елементи виникли в ядерних реакціях на самому початку розширення Всесвіту при великій температурі, а подальший синтез елементів в зірках не встигає за кілька мільярдів років істотно вплинути на поширеність елементів у Всесвіті.

На початку розширення, при великій температурі, в термодинамічній рівновазі з речовиною повинно знаходитися електромагнітне випромінювання. У міру розширення Всесвіту речовина і випромінювання остигають, так що до теперішнього часу має залишитися лише низькотемпературне випромінювання, для якого речовина сьогоднішнього Всесвіту практично прозора. Це випромінювання було згодом названо І. С. Шкловським реліктовим. У 1956 році Г. Гамов, грунтуючись на міркуваннях про нуклеосинтез на початку розширення Всесвіту (які з сьогоднішньої точки зору непереконливі), оцінив температуру реліктового випромінювання для теперішнього часу близько 6 К.

У 50-х роках вдалося показати, що поширеність всіх елементів не можна пояснити тільки їх синтезом на самому початку розширення Всесвіту. На початку розширення гарячого Всесвіту в результаті ядерних реакцій з’являються водень, гелій і незначна домішка інших легких елементів та ізотопів, а важкі елементи практично зовсім не утворюються. Незабаром стало ясно, що час розширення Всесвіту значно більше 10 млрд. років і поширеність важких елементів може бути пояснена їх нуклеосинтезом в зірках.

Вирішальним тестом, який перевіряє справедливість гіпотези про високу температуру Всесвіту на початку розширення, було б виявлення реліктового випромінювання. У 1964 році вперше розрахували спектр щільності електромагнітного випромінювання від усіх джерел в еволюціонуючому Всесвіті (включаючи радіогалактики і зірки) і показали, що в області сантиметрових і міліметрових хвиль інтенсивність реліктового випромінювання з температурою близько 1 К і вище повинна на багато порядків перевершувати випромінювання окремих джерел. Саме в цьому діапазоні реліктове випромінювання і могло бути виявлено.

Його відкрили випадково американські радіофізики А. Пензіас і Р. Вілсон в 1964 році, коли вони налагоджували радіоапаратуру для супутникового зв’язку на хвилі 7,35 см. Р. Дике, П. Піблс, П. Ролл і Д. Вілкінсон, в той час готували радіоапаратуру для пошуків реліктового випромінювання, відразу ж пояснили спостереження Пензіаса і Вілсона як відкриття реліктового випромінювання. Вони визначили температуру цього випромінювання – близько 3 К. наступні спостереження показали, що реліктове випромінювання дійсно є рівноважним, як пророкує гіпотеза гарячого Всесвіту, і має температуру близько 2,7 К.

Так була підтверджена гіпотеза гарячої Всесвіту. Подальше дослідження фізичних процесів проводилося вже в рамках цієї теорії.

Космологія на сучасному етапі

Великий внесок внесли вчені в дослідження двох принципових питань – проблеми сингулярності і проблеми походження структури Всесвіту. Для вирішення першої потрібно знати, чи завжди розширення Всесвіту було ізотропним, а розподіл речовини в ній однорідним, як випливає з моделі Фрідмана, або розширення і розподіл речовини було спочатку зовсім іншим і тільки з плином часу стало відповідати фрідманівській моделі. У 70-х роках В. А. Бєлінський, Є. М. Ліфшиц і І. М. Халатників знайшли спільне рішення рівнянь Ейнштейна, яке описує будь-який можливий початок розширення Всесвіту. Яким конкретно воно було, можна дізнатися, порівнявши передбачення теорії з даними спостережень.

В даний час розглядаються фізичні процеси, які протікали в надщільній і надгарячій речовині на самому початку космологічного розширення. Йдеться про часи менше однієї секунди після початку розширення і про температури багато більше десятків мільярдів градусів. Ці дослідження, що спираються на останні досягнення фізики і сучасні математичні методи, дуже важкі, так як в таких незвичайних умовах проявляються нові закони природи, змінюються властивості самого простору-часу. Саме в цій галузі космології найближчим часом слід чекати цікавих і дивовижних відкриттів. Може бути, нам незабаром стане ясно, як і в якому сенсі слід задавати питання: «що було до сингулярності?» і  «чому почалося розширення?».

Перші успіхи в цьому напрямку вже досягнуті. Ймовірно, на самому початку розширення, в епоху, близьку до 10^-43 частки секунди, властивості вакууму були такі, що існували потужні сили гравітаційного відштовхування, і Всесвіт став розширюватися з величезним прискоренням (як кажуть, за експоненціальним законом). І тільки через кілька миттєвостей (за які, однак, Всесвіт встиг неймовірно «роздутися») властивості вакууму змінилися, з’явилися звичайні частинки речовини, гравітаційне відштовхування змінилося тяжінням, і розширення Всесвіту стало протікати з уповільненням (за статечним законом). Етапи прискореного розширення могли повторюватися в перші миті. В ході прискореного розширення відбувалися фазові переходи, які були викликані об’єднанням різних видів фізичних взаємодій — сильної, слабкої, електромагнітної.

Інший найважливіший напрямок досліджень космологів – це походження структури Всесвіту. На початку розширення речовина являла собою гарячу однорідну плазму. Тиск в плазмі, обумовлений головним чином реліктовим випромінюванням, для якого плазма непрозора, був величезним і, як ми вже відзначали, такий тиск перешкоджав утворенню окремих небесних тіл. Через приблизно 3*10⁵ років після початку розширення плазма охолола до температури 3500 К і перетворилася в нейтральний газ. Цей газ прозорий для реліктового випромінювання, яке вже більше не бере участі в створенні тиску, чому тиск в газі різко падає. Тепер під дією гравітаційних сил починається зростання окремих ущільнень, і потім формуються галактики і їх системи.

Першорядне значення має перевірка космологічних гіпотез всілякими спостереженнями. Тільки після того, як передбачення теорії підтверджені даними спостережень, вона стає достовірним знанням.

Інтерпретація даних спостережень найбільших структурних одиниць Всесвіту – скупчень і надскупчень галактик – успішно проводиться, зокрема, естонськими астрофізиками на чолі з Я. Е. Ейнасто. Вони показали, що надскупчення галактик формують порівняно тонкі шари і довгі ланцюжки. Розміри таких утворень досягають багатьох десятків мільйонів парсек.

У сучасному Всесвіті реліктове випромінювання поширюється майже без поглинання. Воно подорожує вільно протягом тривалого часу і несе інформацію про ту далеку епоху, коли ще не було галактик і речовина з плазми перетворювалася в нейтральний газ, стаючи прозорою. Невеликі ущільнення речовини, які тоді існували і потім розвинулися в галактики, повинні були викликати невеликі зміни інтенсивності спостережуваного сьогодні реліктового випромінювання (масштаби — десяток хвилин). Виявлення таких «плям» означало б, що ми спостерігаємо процес зародження галактик. Ретельний пошук поки не привів до позитивних результатів.

Великі завдання стоять перед майбутніми космологічними спостереженнями. Одна з них — вимірювання інтенсивності реліктового випромінювання в різних напрямках за допомогою радіотелескопів, встановлених на космічних апаратах. Це дозволить звільнитися від перешкод, викликаних земною атмосферою, і істотно збільшити точність вимірювань.

Ми розповіли в загальних рисах про еволюцію наших знань про Всесвіт за останні 100 років, про ті аспекти космології, якими займаються вчені різних країн світу.

Автор: І. Д. Новіков, кандидат фізико-математичних наук.