АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ IV. Елементи космології

ТЕМА 4.1. ВСЕСВІТ ЯК ЦІЛІСНЕ СЕРЕДОВИЩЕ ЖИТТЯ

§ 29. ЕЛЕМЕНТИ СУЧАСНОЇ КОСМОЛОГІЇ

Визначні фізичні теорії (загальна теорія відносності, квантова механіка тощо) разом з великим масивом спостережних астрономічних даних дозволили космологам за неповні 100 років з'ясувати загальну картину народження й розвитку нашого всесвіту. Щоправда, багато важливих моментів його еволюції, а надто його походження, ще й досі нез'ясовані.

1. Основні етапи еволюції Всесвіту.

Нинішнє астрономічне та фізичне знання не пояснює однозначно того, що було до Великого Вибуху чи одразу після нього. Але відомі й перевірені на практиці закони фізики дозволяють зробити наукову екстраполяцію в минуле аж до моменту t = 10 с від початку розширення. Це так званий час Планка, що є гіпотетичною граничною природною одиницею вимірювання масштабу часу (квантом часу), яку увів німецький фізик-теоретик Макс Планк. Подій у проміжку часу, що менший за час Планка, від ^-43t = 0 до t = 10 с відомими нині законами фізики описати неможливо - вони в цьому часовому інтервалі не діють. Саме тому науковці не знають, що відбувалось у крихітну частку часу тривалістю 10 с, яка минула після Великого Вибуху, тобто від часу ^-43-43t = 0.

Згідно з сучасними уявленнями, процес народження Всесвіту має описувати квантова теорія гравітації. Але її ще не створено. Поняття «вік Всесвіту» має сенс для моментів часу не раніше 10 секунди. На менших масштабах вже не можна говорити про звичний нам лінійний плин часу, адже в цей проміжок^-43

властивості простору - не стабільні. Такий стан простору-часу зі змінною топологією називають квантовою піною. З невідомих поки причин, можливо, через квантові флуктуації, в одній із «бульбашок» квантової піни виникає самовільно, спонтанно, буквально з «нічого», фізичне поле, яке у віці близько 10 секунди змушує її розширюватися з колосальним прискоренням. Цей процес називають інфляцією, а поле, що його спричиняє - інфлантонним (від назви частинки, носія цього поля,- інфлантон).^-35

Теоретичні розрахунки показують, що у віці 10 с Всесвіт був дуже малим (^-43l = 10 см) і щільним, але потім він зазнав розширення від дуже малих розмірів до неймовірно (10 см) великих розмірів. Для опису розширення Всесвіту вводять поняття масштабного фактора ^{-3310 в степені 4}a(t), який збільшується з плином часу так, що відстань між об'єктами у Всесвіті змінюється пропорційно a(t).

Отже, розміри Всесвіту росли експоненціально (a(t) ~ e^H), тобто зростання масштабного фактора було пропорційне його значенню da(t)/ dt ~ a(t) . В економіці подібні процеси називають інфляцією, тому космологічну теорію, що описує перші миті існування Всесвіту, називають інфляційною теорією Великого Вибуху. її запропонував у 1980 р. американський вчений А. Ґут. Вона є вдосконаленою теорією Великого Вибуху.

Початок інфляції спричинив «хибний» вакуум, або псевдовакуум,- різновид фізичного вакууму з від'ємним тиском (основними параметрами вакууму є енергія і тиск, залежно від них він може бути в різних енергетичних станах). Такий тиск створює силу відштовхування, що діє як антигравітація. Що вища енергія вакууму, то вищий тиск, а в разі псевдовакууму - відштовхування. «Хибний» вакуум не стабільний і дуже швидко розпадається, переходячи у вакуум з низьким рівнем енергії (інфляція закінчується, коли інфлантонне поле досягає мінімуму енергії). Вивільнена, внаслідок розпаду, енергія іде на утворення великої кількості елементарних частинок - кварків та антикварків, з яких вже через десятитисячну частку секунди утворились різні частинки, серед яких протони і нейтрони та "їхні античастинки. Інакше кажучи, з енергії виникає речовина, яка має високу температуру.

Розпад псевдовакууму і спричинене цим швидке розширення, яке в інфляційній теорії відіграє роль Великого Вибуху, привели до того, що з мікроскопічної «бульбашки» квантової піни утворився Всесвіт величезних розмірів. Далі його розвиток відбувається так, як передбачає стандартна космологія Великого Вибуху. Нині ми живемо в дуже низькоенергетичному вакуумі. Тривалий час вважали, що його енергія нульова, але спостереження наприкінці ХХ ст. показали: вона трохи відмінна від нуля (її назвали темною енергією).

Інфляційна теорія Великого Вибуху пояснила особливості нашого всесвіту, які не вдавалося зрозуміти у стандартній космологічній моделі Фрідмана. Це, зокрема, однорідність Всесвіту - псевдовакуум всюди має строго однакову густину енергії (за винятком малих неоднорідностей, що пов'язані з квантовими флуктуаціями в ньому). Інша особливість Всесвіту - його плоска геометрія, яку астрономи спостерігають нині, - знайшла пояснення в тому, що інфляція збільшила «бульбашку» до розмірів величезної сфери. Ми бачимо лише її крихітну частину, тому вона здається плоскою, як і Земля, коли ми розглядаємо невелику її ділянку. Те, що геометрія Всесвіту плоска, перевірено шляхом вимірювання кутів велетенського трикутника розміром майже до космологічного горизонту. їх сума склала 180 градусів, як і має бути у плоскій, евклідовій, геометрії.

Окремо зауважимо про космологічний горизонт, що є межею спостережуваного Всесвіту. Раз вік Всесвіту це скінченна величина, то за цей проміжок часу світло може подолати скінченну відстань, яка дорівнює добутку його швидкості на час, що минув від утворення Всесвіту. Безліч точок, що перебувають на цій відстані від нас, величезну сферу називають космологічним горизонтом. Космологічний горизонт - це межа, своєрідний кордон, що відділяє простір, який ми можемо спостерігати в даний момент, від того, який ми у принципі спостерігати не можемо, бо світло звідти ще не встигло до нас дійти. Але Всесвіт невпинно розширюється, і світло приходить з усе віддаленіших його ділянок, розширюється й горизонт. Водночас світло несе інформацію про все більш ранні об'єкти Всесвіту. Найвіддаленішим, і водночас найбільш раннім об'єктом, який може спостерігати сучасна наука, є реліктове випромінювання (про нього в п. 2).

З інфляційної теорії випливає, що значна частина Всесвіту перебуває за межею космологічного горизонту. Адже доки світло 13,7 млрд років ішло до нас, самі ці об'єкти вже давно покинули видиму частину Всесвіту й рухаються далеко за її межею.

Ще один висновок цієї теорії - хоча в нашій частині космосу інфляція закінчилася, у Всесвіті в цілому вона триває досі. Внаслідок розпаду псевдо- вакууму повсякчас виникають нові «локальні» всесвіти, тобто триває процес, який називають вічною інфляцією. Теорію вічної інфляції розробив А. Лінде, і її вважають удосконаленим варіантом теорії А. Ґута. Вічна інфляція приводить до того, що в матеріальному світі повсякчас виникає величезна кількість «локальних» всесвітів з усіма можливими варіантами фізичних параметрів. Сукупність таких всесвітів позначають поняттям Мультиверсум (ч. 3, § 18).

Після закінчення інфляції Всесвіт розширювався й охолоджувався. Ще через одну десятитисячну частку секунди при температурі 10 К відбулась анігіляція протонів з антипротонами і нейтронів з антинейтронами з утворенням фотонів. Та вочевидь від самого початку концентрація частинок перевищувала кількість античастинок приблизно на одну мільярдну частку. Цей «лишок» став будівельним матеріалом для світу речовини - галактик, зір, планет тощо. З фотонів, що утворилися під час анігіляції, значною мірою складається реліктове випромінювання. Через 1 с після Великого Вибуху при температурі 10 К Всесвіт став прозорим для нейтрино, тоді як протони, нейтрони, електрони й позитрони були перемішані з фотонами.¹²¹⁰

Через 3 с температура знизилась до 310 К, й електрони проанігілювали з позитронами, а ще через 3 хвилини при температурі 310 К почалось утворення перших хімічних елементів - дейтерію, гелію, літію.⁹⁸

У наступні 300000 років помітних змін не відбувалося. Увесь цей час Всесвіт був непрозорим для світла, бо електрони, протони, ядра гелію і в значно меншій кількості ядра літію, з яких складалася первісна плазма, безперервно поглинали, випромінювали й розсіювали фотони, не даючи їм поширюватись вільно. Але, розширюючись далі, Всесвіт охолов до температури близько 3000 К. Тоді енергія фотонів стала меншою від сили кулонівського притягання електронів і протонів, а відстані між частинками стали великими для того, щоб фотони перестали розбивати щойно утворені нейтральні атоми водню та гелію. Зв'язані в атомах, частинки перестали заважати руху фотонів, і Всесвіт раптово став «прозорим» для випромінювання: світло відокремилось від речовини.

Рис. 29.1. Основні етапи розвитку Всесвіту

Від цього моменту випромінювання вільно поширюється у Всесвіті, бо практично не взаємодіє з речовиною. Існування в наш час цього «залишкового випромінювання» передбачив у 1948 р. Г. Га- мов, розвиваючи ідею теорії Великого Вибуху. Часто його називають реліктовим випромінюванням, оскільки воно справді є реліктом ранньої епохи розвитку Всесвіту.

Отже, через 300 тис. р. після Великого Вибуху домінуючою формою матерії у Всесвіті стає речовина (видима й невидима). Відтак починають швидко збільшуватися в розмірах її неоднорідності, що існували від моменту закінчення інфляції. Адже поки у Всесвіті домінувало випромінювання, воно заважало процесу наростання з часом просторових флуктуацій швидкості й щільності речовини під дією сил тяжіння (гравітаційних збурень). Саме розвиток гравітаційної нестійкості у наступні мільйони років «змусив» речовину збиратися в окремі згустки - протогалактики, в яких, своєю чергою, приблизно через мільярд років після Великого Вибуху почали утворюватись перші зорі.

2. Реліктове випромінювання.

Коли в 1965 р. американські радіоастрономи А. Пензіас і Р. Вілсон зареєстрували реліктове випромінювання, це стало одним із доказів на користь теорії Великого Вибуху. Адже воно характеризує гарячий стан речовини у Всесвіті задовго до утворення дискретних джерел. Нині температура цього випромінювання становить приблизно 2,7 К, тому воно припадає на мікрохвильовий діапазон довжин хвиль. У зв'язку з цим інша його назва - космічне мікрохвильове фонове випромінювання.

Рис. 29.2. Обсерваторії WMAP (результати) і Планк (результати)

Фонове випромінювання має великий ступінь однорідності. Проте вже під час його відкриття стало зрозуміло, що воно не може бути абсолютно ізотропним, бо пов'язане з речовиною, в якій мали існувати неоднорідності густини (саме це стало запорукою майбутнього утворення у Всесвіті галактик і скупчень галактик).

Анізотропію мікрохвильового фонового випромінювання вдалося виявити в 1992 р. зі спостережень спеціалізованого супутника COBE (COsmic Background Explorer). За це відкриття американським астрофізикам Джорджу Ф. Смуту і Джону С. Мейзеру присуджено Нобелівську премію з фізики 2006 року.

Рис. 29.3. Мапа розподілу космічного мікрохвильового фонового випромінювання на небесній сфері

Дослідження анізотропії реліктового випромінювання виконував у 2001-2010 рр. космічний зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), а також космічна обсерваторія «Планк» (2009-2012).

Вивчення результатів, отриманих космічними обсерваторіями, дозволило побудувати мапу розподілу реліктового випромінювання на небесній сфері (рис. 29.3). На ній видно у вигляді плям слабкі (на рівні сотих і тисячних часток відсотка) відхилення від однорідного тла. Плями позначають флуктуації, що існували на початку Всесвіту (до моменту інфляції). Після сильного розширення вони збереглися, як неоднорідності густини речовини в космічному просторі, що стали зародками галактик. Кутові відстані між плямами на мапі вказують на розміри неоднорідностей, а перепади яскравості - на ступінь ущільнення зародків майбутніх скупчень галактик.

3. Прискорене розширення Всесвіту.

Яким є наш всесвіт - відкритим, закритим чи пульсівним - залежить від значення середньої густини речовини р. Визначити її значення дуже складно, адже можна врахувати тільки ту речовину, яку ми бачимо або реєструємо приладами (зорі, газ, пил, різні частинки, випромінювання тощо). А її, зі спостережних даних, явно не вистачає, щоб створити силу тяжіння, здатну тримати вкупі окремі галактики, їх скупчення й надскупчення. З того, що великі системи космічних тіл упродовж дуже тривалого часу зберігають свої розміри стабільними, випливає, що у Всесвіті є ще й невидима, прихована маса, або інакше - темна матерія. Вона не світить, але виявляє себе силою тяжіння (рис. 29.4)._с

Рис. 29.4. Хоча виявити темну матерію прямо не вдається, про її існування свідчить низка непрямих даних. Як приклад наведено знімок скупчення галактик Куля. Рентгенівське випромінювання об'єкта, що лежить за нею (показано червоним), спотворене впливом прихованої маси, яку і вважають темною матерією. Її розподіл, визначений з розрахунків, показано синім

На існування темної матерії у скупченнях галактик 1932 р. вказав астроном Фріц Цвіккі. Пізніше її виявили в ізольованих великих галактиках, довкола яких існують невидимі гало з темної матерії. Радіуси цих гало в 5-10 разів більші, ніж розміри власне зоряних систем, а їхня маса становить до 90 % маси галактики.

Згідно з нинішніми уявленнями, темна матерія відіграла особливу роль у формуванні великомасштабної структури Всесвіту. Якби темної матерії не було, то ця структура не змогла б виникнути. Імовірно спочатку виникли згустки темної матерії (їх називають гравітаційними ямами), а потім звичайна матерія скупчилась навколо них. Якщо темна матерія заповнює увесь Всесвіт, то це означає, що галактики існують не ізольовано, а в рамках колосальної мережевої структури, основою якої є темна матерія. Отже, галактики - скупчення звичайної матерії, розміщені у вузлових точках всесвітньої мережі з темної матерії. Галактики - це лише «піки» в концентрації речовини, розподіленої у Всесвіті.

Природа темної матерії досі невідома. Згідно з припущеннями, існують щонайменше два види небаріонної темної матерії - гаряча і холодна. Носіями першої можуть бути релятивістські частинки, наприклад, нейтрино, а другої - ще не відкриті елементарні частинки, наприклад, аксіони чи вімпи WIMP (weakly interacting massive particles), тобто масивні частинки зі слабкою взаємодією.

Нині пошуки темної матерії виконують як прямими, так і непрямими методами. У першому разі для реєстрації взаємодії частинок темної матерії з речовиною створюють високочутливі детектори - величезні ємності, наповнені охолодженою дуже чистою речовиною, зазвичай благородним газом. Суть непрямих методів - пошук «слідів» темної матерії. Наприклад, анігіляція вімпів, згідно з теоретичними обчисленнями, має спричиняти появу нейтрино і позитронів.

У 1998-1999 рр. спочатку астрономи, а потім і фізики, на підставі спостережень спалахів Наднових типу Іа виявили, що їхня спостережувана яскравість регулярно є меншою, ніж має бути, при відстанях до них, обчислених за законом Габбла. Згадаймо, Наднові типу Іа використовують в астрономії як «стандартні свічки» для вимірювання відстаней, недоступних для вимірів іншими методами. Адже, по-перше, їхній блиск часом перевершує блиск усієї материнської галактики, і їх видно з величезних відстаней, а по-друге, оскільки до появи Наднових типу Іа призводить катастрофічний термоядерний вибух киснево-вуглецевих карликів майже однакової маси, в максимумі вони мають практично однаковий блиск. Знаючи зі спостережень видиму зоряну величину й порівнюючи її з абсолютною зоряною величиною, яку вони повинні мати, за відомими формулами обчислюють відстань до них.

Отже, справжні відстані до Наднових типу Іа виявились більшими, ніж мають бути, згідно з обчисленими. А це означає, що Всесвіт на космологічних відстанях розширюється швидше, ніж це випливає із закону Габбла-Леметра, тобто розширення відбувається з прискоренням. Звичайна речовина не може надавати галактикам додаткової швидкості, навпаки, вона сповільнює розліт. Тому з факту прискореного розширення випливає: у Всесвіті є субстанція, що діє як антигравітація. її назвали темною енергією.

Але яку її природа? З космологічного рівняння стану р = ωε, де р - тиск середовища, ε - густина його енергії, а ω - коефіцієнт пропорційності, за умови, що густина середовища вища за нуль, випливає, що для забезпечення прискореного розширення Всесвіту на роль темної енергії претендують три субстанції - це або вакуум, або квінтесенція, або фантомна енергія, і для кожної з цих субстанцій властивий від'ємний тиск, тобто антигравітація.

Від природи темної енергії залежить геометрія Всесвіту. Якщо це фізичний вакуум, то Всесвіт має бути плоским. Якщо квінтесенція, то його форма сферична або гіперболічна (сідлоподібна). Якщо це фантом, то на Всесвіт чекає Великий розрив. Досі більшість спостережень вказують на те, що Всесвіт має плоску геометрію. Тому є всі підстави вважати, що темну енергію створює фізичний вакуум - повністю звільнений від будь-якої речовини простір, заповнений полем, в якому без кінця народжуються і зникають віртуальні частинки.

Сучасну космологічну теорію, що враховує, окрім видимої (баріонної) матерії ще й невидиму холодну темну матерію (CDM - від англ. Cold Dark Matter), а також темну енергію, описувану космологічною сталою Айнштайна A, що заповнюють просторово плоский Всесвіт, називають - ACDM (лямбда-СіДіЕм). Часто її ще називають стандартною космологічною моделлю Великого Вибуху, бо вона пояснює:

• наявність і структуру космічного мікрохвильового фону;

• великомасштабну структуру скупчень галактик;

• розподіл водню, гелію, літію, кисню у нашому всесвіті;

• прискорене розширення Всесвіту, яке спостерігають за електромагнітним випромінюванням далеких галактик і Наднових типу Іа.

Це найпростіша модель, яка в цілому узгоджується зі спостережними даними.

Дослідження (1998 р.) Наднових Іа в дуже далеких галактиках, а також аналіз результатів (2003 р.), отриманих орбітальною космічною обсерваторією ім. Вілкінсона, що вимірювала анізотропію мікрохвильового фонового випромінювання, допомогли дати відповіді на деякі питання, що накопичилися в космології за тривалий час.

Було з'ясовано, що вік Всесвіту становить 13,7 млрд р. (з точністю до 1 %), а його складовими є - 73 % темна енергія, 23 % невидима темна матерія і лише 4 % видима речовина, яку можна реєструвати приладами, а також різні поля й випромінювання.

Рис. 29.5. Баланс речовини, темної матерії та темної енергії у нашому Всесвіті, згідно з сучасними уявленнями

Дані про космологічне прискорення вказують на те, що першу половину своєї історії Всесвіт розширювався з уповільненням, а другу - з прискоренням. Спочатку середня густина речовини (темної матерії і баріонів) у Всесвіті була значно більшою, ніж густина темної енергії. Тому гравітація переважала антигравітацію і гальмувала розліт галактик. Але густина речовини внаслідок розширення Всесвіту спадає, а густина темної енергії не залежить від часу - вона є сталою. Це означає, що із збільшенням об'єму Всесвіту темна енергія безупинно продукується вакуумом і її кількість зростає. Коли вік Всесвіту становив 7-8 млрд років, кількість темної енергії досягла критичного значення - 33 % від усієї кількості енергії у Всесвіті, і темп розширення почав зростати. З плином часу, в майбутньому, густина матерії й надалі спадатиме, тоді як темної енергії зі сталою густиною ставатиме дедалі більше.

Далі еволюція Всесвіту залежить від природи темної енергії. Якщо це фізичний вакуум (ω = -1), а багато фактів схиляють саме до такої думки, то Всесвіт відкритий і його прискорене розширення триватиме вічно. Зорі поступово витратять своє ядерне пальне, згаснуть і вже ніколи не стануть формуватися знову, бо газ, з якого вони утворюються, буде вичерпано. Залишаться тільки охололі білі карлики, нейтронні зорі та чорні діри. Але й вони також зникнуть, бо розпадуться нейтрони і протони, а чорні діри приблизно через 10 років «випаруються» і перетворяться у випромінювання. Отак у Всесвіті зникне будь-яка структура й організація, лише необмежено довго триватиме розширення сукупності фотонів, нейтрино та вкрай розрідженого газу з електронів і позитронів, які ще залишилися.¹⁰⁰

Існують й альтернатівні сценарії.

Якщо темна енергія - це квінтесенція ( -1 <ω<-1/3) , припускають, що це надслабке скалярне поле з антигравітацією), густина енергії якої спадає з часом, то врешті-решт розширення Всесвіту сповільниться і, можливо, зміниться на стискання. Тоді речовина у Всесвіті повернеться до гарячого й щільного стану.

Якщо темна енергія - це фантом (ω < -1), середовище з антигравітацією, густина енергії якого зростає з часом, то прискорене розширення ставатиме дедалі швидшим, і розвиток Всесвіту відбуватиметься за сценарієм, який називають «Великим розривом». Необмежений ріст густини енергії спричинить катастрофічне зростання антигравітації, як наслідок - катастрофічне падіння гравітаційних сил і «розрив» об'єктів - надскупчення розпадуться на окремі галактики, галактики на окремі зорі, розірветься Сонячна система, далі планети, кожна молекула, кожний атом і навіть кожна елементарна частинка.

Проте допоки фізичну природу темної енергії ще тільки з'ясовують (згідно з сучасними оцінками, значення ω лежить у межах -1,18 < ω < -0,93), усе це лише гіпотези. Чітко відомо тільки одне: існування темної енергії і створюваної нею антигравітації надійно й остаточно доведено. Поступово підсилюються об'єктивні свідчення на користь уявлень про темну енергію, як про фізичний вакуум. Прискорене розширення Всесвіту триватиме ще кілька десятків мільярдів років. За цей час наша галактика зіллється з Туманністю Андромеди і більшістю галактик, що входять до складу Місцевої групи. Всі інші галактики лежатимуть далеко за космологічним горизонтом, і їх не можна буде побачити навіть у найпотужніший телескоп.

НАВЧАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

• Чому мікрохвильове фонове випромінювання не є однорідним?

ВИСНОВКИ

Питання походження й розвитку Всесвіту, яке споконвіку хвилює людину, стало прояснюватися тільки в XX ст.- після відкриття космологічного розширення. Згідно з сучасними уявленнями наш всесвіт існує близько 13,7 млрд р. Він виник унаслідок Великого Вибуху, зазнав дуже швидкого розширення, після чого вступив в епоху формування галактик і зір. Нині цей етап розвитку Всесвіту все ще триває. Розширення Всесвіту відбувається прискорено і, ймовірно, він буде необмежено розширюватися й надалі.