Космологические модели Вселенной

Решение уравнений общей теории относительности привело А. Фридмана к динамическим моделям Вселенной. Согласно Фридману, среднее расстояние между галактиками не остается постоянным: Вселенная и ее пространство либо расширяются с течением времени (модель открытой Вселенной), либо Вселенная сжимается (модель закрытой Вселенной), либо во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения. В 1926 г. Э. Хаббл открыл красное смещение в спектре излучения далеких галактик, что подтверждает модель расширяющейся Вселенной. Данные Хаббла являются следствием эффекта Доплера, заключающегося в увеличении длины волны (уменьшении частоты) колебаний источника света при его удалении от наблюдателя. Согласно закону Хаббла скорость v удаления галактик пропорциональна расстоянию r до них

v=Hr,(7.1)

где Н – постоянная Хаббла. По современным оценкам H= 55 км/(с×Мпк), что соответствует увеличению скорости расширения на 55 км/с на каждый миллион парсек.

Дальнейшая судьба Вселенной зависит от соотношения гравитационной энергии и кинетической энергии разлетающегося вещества. Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик и расширение Вселенной носит необратимый характер. В случае преобладания гравитационного взаимодействия темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности. Для земного наблюдателя сигналом о переходе от расширения к сжатию станет изменение красного смещения в спектре излучения далеких галактик на фиолетовое. В случае точного равенства гравитационной энергии и кинетической энергии разлета вещества скорость расширения со временем будет стремиться к нулю, и через несколько десятков миллиардов лет Вселенная станет квазистационарной.

Рисунок 22 – Космологические модели Вселенной

Соотношение между гравитационной энергией и кинетической энергией разлетающегося вещества можно представить в виде соотношения между средней плотностью вещества ρ и некоторой теоретически предсказанной величиной, т.н. критической плотностью, определяющейся по соотношению

ρ_кр. = 3 (H ² /8 π G). (7. 2)

Если средняя плотность вещества во Вселенной ρменьше критической, то расширение будет продолжиться неограниченно долго (модель открытой Вселенной). Если ρ>ρ_кр., то расширение рано или поздно сменится сжатием (модель закрытой Вселенной).

Оценочное значение критической плотности составляет ≈10^-29 г/см³. Долгое время средняя плотность вещества во Вселенной оценивалась примерно как 10^-31 г/см³, что говорит в пользу модели открытой Вселенной. Однако полученные в последнее время космологические данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих «темную материю» во Вселенной. Скорее всего, речь идет о целом пласте новых явлений в физике микромира, и вполне возможно, что этот пласт явлений будет открыт в земных лабораториях в недалеком будущем. Еще более удивительным результатом наблюдательной космологии стало указание на существование совершенно новой формы материи – «темной энергии».

По современным представлениям доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии во Вселенной составляет всего 5 %. Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино – около 300 нейтрино всех типов в кубическом сантиметре. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет заведомо не более 3 %. Оставшиеся 90–95 % полной энергии во Вселенной – «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций — темной материи и темной энергии (рисунок 23).

Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках.

Что представляют из себя частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны).

Рисунок 23 – Баланс вещества и энергии во Вселенной

Частицы темной материи очевидно чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100–1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 10¹⁵ градусов), и часть их дожила до наших дней.

Природа темной энергии представляется еще более загадочной. Без преувеличения можно сказать, что природа темной энергии – один из основных вопросов фундаментальной науки XXI в.