Астрофизика. Релятивистская космология

Современная космология начала складываться в 20-е годы XX века на основе созданной Эйнштейном об­щей теории относительности. Из этой теории следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская. Еще в 1922 году со­ветский математик и геофизик А.А. Фридман нашел реше­ние уравнений общей теории относительности для замкну­той расширяющейся Вселенной. Он установил, что искрив­ленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься.

Уравнения Фридмана теоретически обосновали неста­ционарность Вселенной. На этот вывод ученые не обраща­ли внимание вплоть до открытия американским астро­номом Эдвином Хабблом (1889-1953) в 1929 году так называемого «красного смещения». Дело в том, что еще в XIX веке австрийский физик и астроном Кристиан Доп­лер обнаружил, что если источник света приближает­ся, спектральные линии смещаются в сторону более корот­ких волн, если удаляется — в сторону более длинных (крас­ных) волн. Это явление было названо эффектом Доплера. Э. Хаббл открыл «красное смещение» для всех далеких ис­точников.света. Красное смещение оказалось пропорцио­нальным расстоянию до источника, что подтверждало ги­потезу о расширении видимой части Вселенной. Тем са­мым теоретически построенные Фридманом модели неста­ционарной Вселенной были обоснованы результатами на­блюдений.

Существует два различных типа моделей Фридмана.

Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.

В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той же критической величины, тогда гравитацион­ное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом случае конечна, хотя и не ограничена, вроде поверхности сферы. Гравита­ционные поля достаточно сильны для того, чтобы в кон­це концов остановить расширение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бес­конечно большой плотности.

В 1965 году американские ученые-астрономы А. Пен-зиас и Р. Вилсон сделали с помощью радиотелескопа — устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов, — открытие большой важности. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное советским ученым И.С. Шкловским реликтовым. Реликтовое радиоизлучение образовалось на раннем этапе существования Вселенной, когда ей было всего около 3 млрд. лет.

Два экспериментально установленных положения — расширение Вселенной и реликтовое излучение — являют­ся убедительными доводами в пользу так называемой тео­рии «большого взрыва», ставшей теперь общепризнанной.

До утверждения этой теории существовала теория ста­ционарного состояния, согласно которой Вселенная всег­да была почти такой, какой мы видим ее сейчас. В XVIII-XIX веках и даже в первой половине XX века в астроно­мии господствовал взгляд на Вселенную как на нечто ста­тическое, не изменяющееся.

Основываясь на теории расширяющейся Вселенной, ока­залось возможным проследить развитие Вселенной в «об­ратную сторону», т. е. попробовать вернуться возможно дальше назад. Хотя осуществить такую реконструкцию было далеко не просто, но все же она оказалась успешной.

По современным представлениям, вначале был взрыв. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселен­ная имела температуру порядка 100 млрд. градусов К (10¹¹ К). При такой высокой температуре (выше темпера­туры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых пре­обладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды пос­ле взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной: в 4000 миллионов раз больше, чем у воды.

В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (10⁹ К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут со­стояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие мате­риалом для возникновения галактик и звезд.

Как следует из сказанного, за последние примерно 50 лет достигнуты значительные результаты в изучении звезд, галактик и даже Вселенной и их эволюции.