Расширение вселенной на текущем этапе ее развития подтверждается наблюдением: 5.19. Космология

5.19. Космология

5.19.1.
Расширение Вселенной на текущем этапе
ее развития подтверждается наблюдением:

  1. Черных
    дыр

  2. Изменения
    рисунка созвездий с течением времени

  3. Движения
    искусственных космических аппаратов

  4. #Красного
    смещения в спектрах удаленных галактик

5.19.2. Согласно
современным теориям существенной
причиной высокой светимости звезд
является :

  1. разогрев за счет
    падения метеоритов

  2. разогрев звезд и
    светимость за счет расширения

  3. #термоядерные
    реакции

  4. химические
    превращения веществ.

5.19.3.
Выберите трактовку слабого антропного
принципа

  1. #То,
    что мы предполагаем наблюдать, должно
    удовлетворять условиям, необходимым
    для присутствия человека в качестве
    наблюдателя

  2. Вселенная
    должна быть такой, чтобы в ней на
    некоторой стадии эволюции мог существовать
    наблюдатель

5. 19.4.
Насколько возможна «тонкая подстройка
Вселенной»?

  1. #Маловероятна
    и случайна, но произошла

  2. Только
    она и возможна в соответствии с
    Лапласовским детерминизмом

  3. Невозможна

5.19.5.
Вывод известного математика прошлого
столетия А. Фридмана о развитии Вселенной
заключался в том, что:

  1. Вселенная
    должна расширяться

  2. Вселенная
    должна сжиматься

  3. Вселенная
    должна либо расширяться, либо сжиматься

  4. Вселенная
    неизменна

5.19.6.
Кто впервые указал возможный путь
нуклеосинтеза (процесс нерезонансного
захвата нейтрона протоном)?

  1. Американский
    физик Г.А.Гамов

  2. Английский
    ученый А.А.Пензиас

  3. #Английский
    астрофизик Ф.Хойл

  4. Американский
    астроном Э.Хаббл

5.19.7.
С какими «магическими числами»
связан барьер на пути нуклеосинтеза?

  1. Три
    и шесть

  2. #Пять
    и восемь

  3. Три
    и семь

5. 19.8.
В какой момент своей эволюции Вселенная
стала прозрачной?

  1. Когда
    прекратилось взаимодействие электронов
    с фотонами и барионным веществом, а
    далее возникло реликтовое излучение

  2. Когда
    радиус Вселенной достиг 100 млн.парсек,
    плотность вещества снизилась до 10-19
    кг/м , температура 30000К

  3. #Когда
    электроны соединились с ядрами

5.19.9.
Реликтовое излучение обнаружили:

  1. Хаббл
    Э

  2. #Пензиас
    А. и Вильсон Р.

  3. Гамов
    Г

5.19.10.
Гипотеза звездного нуклеосинтеза,
предложенная Ф.Хойлом была экспериментально
подтверждена в опытах:

  1. #У.Фаулера

  2. И.Бальмера

  3. Г.Мозли

5.19.11.
Как называются туманности неправильной,
клочковатой формы?

  1. #Диффузными

  2. Планетарными

  3. Спиралевидными

5.19.12.
Основная идея инфляционной теории
состоит в том, что:

  1. #Расширение
    Вселенной и ее эволюция рассматриваются
    из состояния — «физический вакуум»

  2. В
    результате инфляции Вселенная разогрелась
    до «большого взрыва» и далее через
    точки бифуркаций в реальный мир
    эволюционировали реальные частицы
    материи

5. 19.13. Радиус Солнца
близок к:

  1. 100 млн. км

  2. 10 млн. км

  3. #1
    млн. км

  4. 100 тыс. км

  5. 10 тыс. км

5.19.14. Число планет
в Солнечной системе — _____

  1. 9

  2. #8

  3. 7

  4. 6

5.19.15. Открытое в
70-е годы 20 века реликтовое излучение,
то есть микроволновое фоновое излучение,
является наблюдательным подтверждением
модели:

1. сжимающейся
Вселенной

2. стационарного
состояния Вселенной

3. пульсирующей
Вселенной

#4. Большого Взрыва

5.19.16. Общая теория
относительности предсказывает
существование во Вселенной сверхмассивных
объектов, вблизи которых (на расстоянии
гравитационного радиуса)(2):

1. пространство и
время приобретают относительный характер

#2. время практически
останавливается для наблюдателя со
стороны

#3. излучение не
может их покинуть

4. время меняет
направление

5.19.17. Космология
— это наука о (об)

#1. Вселенной в
целом, ее свойствах и эволюции

2. происхождении
и развитии небесных тел

3. происхождении
жизни и разума во Вселенной

4. устройства
Солнечной системы

5.19.18. По современным
научным представлениям, наша Вселенная
возникла из:

1. продуктов взрыва
предшествующей Вселенной

#2. квантовых
флуктуаций физического вакуума

3. холодной абсолютной
пустоты

4. материи, сотворенной
Богом

5.19.19. Теория горячей
Вселенной (теория Большого Взрыва)
подтверждается обнаружением предсказанного
ею:

#1. реликтового
излучения, заполняющего Вселенную

2. ускоряющегося
расширения Вселенной

3. разбегания
галактик

4. мирового эфира

5.19.20. Принципы
универсального эволюционизма включают
следующие

положения(2):

1. Знание законов
эволюции и самоорганизации позволяет
точно предвидеть будущее.

#2. Во всех мировых
процессах присутствуют фундаментальные
и неустранимые факторы случайности
неопределённости.

3.
Случайность и неопределенность не
играют сколько-нибудь существенной
роли в
эволюции
Вселенной и её структур.

#4. Прошлое влияет
на будущее, но не определяет его.

5.19.21. Сингулярность
– это:

1. «черная дыра»

2. сверхплотная
материя

#3. начальное
состояние Вселенной, характеризующееся
бесконечной плотностью массы и бесконечной
кривизной

4. большой взрыв

5.19.22. «Красное
смещение»- это:

#1. понижение частот
электромагнитного излучения, идущего
от звезд

2. излучение красных
гигантов

3. изменение
излучения, идущего от ядер галактик

4. особое излучение
самых дальних звезд

5.19.23. Наибольшим
объектом в Мегамире является:

1. метагалактика

2. звездная система

3. звезда

#4. Вселенная

5.19.24. Согласно
модели Большого взрыва, все вещество
Вселенной в начальный момент было
сосредоточено в крайне небольшом объеме
с бесконечно высокой плотностью. Такое
состояние называется:

1. сингулярностью

2. точкой бифуркации

#3. хиральностью

4.комплементарностью

5.19.25. «Черные дыры»
обладают рядом свойств, а именно(2):

#1. время на
поверхности сферы, ограниченной
гравитационным радиусом, останавливается

#2. они недоступны
для непосредственного наблюдения

3. они излучают
лишь в инфракрасном диапазоне

4. вращаясь с
высокой скоростью, они испускают пучки
электромагнитного излучения

5.19.26.
Основателем космологических
моделей на
осно­ве общей теории относительности
стал:

1. Эйнштейн;

2. Гамов;

#3. Фридман;

4. Хаббл;

5. Эддингтон;

6. Лемэтр.

5.19.27.
Законы движения планет были
установлены:

1. Джордано Бруно

#2. Иоган­ном
Кеплером;

3. Галилео Галилеем;

4. Тихо Браге;

5. Иса­аком
Ньютоном;

6. Рене Декартом

5.19.28.
Без какого фундаментального принципа
невоз­можно обойтись
при построении общей теории относитель­ности
(теории тяготения Эйнштейна)?

1. релятивистского
принципа относительности;

2. прин­ципа,
утверждающего соответствие между массой
части­цы и ее волной;

#3. принципа
тождественности тяжелой и инертной
масс;

4. принципа
относительности к средствам наблюдения.

5.19.29. Укажите время
(столетие) астрономических от­крытий
Коперника и Бруно:

1. XIII
век;

#2. XVI
век;

3. XVII
век;

4. XV
век.

5.19.30.
Какой коэффициент (постоянная) связывает
ча­стоту
и энергию космического
излучения

1.
коэффициент Лоренца;

2.
постоянная Планка

3.
постоянная Хаббла;

4. постоян­ная
Стефана-Больцмана.

5. постоянная
Больцмана

5.19.31. Реликтовое
излучение, как физическое явле­ние —
это:

#1.
космическое фоновое излучение, следствие
взрыва ранней горячей Вселенной

2. инфракрасное
излучение из центра Галактики

3. излучение
реликтовых звезд

4. межгалактическое
излучение сверхновых звезд

5. инфракрасное
излучение звезд

5. 19.32.
Под понятием Метагалактика
в
современной космологии понимается:

1. первая сотня
ближайших к нам галактик;

2. сосре­доточие
черных дыр Вселенной;

3. доступные для
наблю­дения квазары Вселенной;

#4. доступная для
наблюдения Вселенная.

5.19.33.
Из всех форм существования вещества
самой распространенной формой во
Вселенной является:

1. жидкость;

2. газ;

#3. плазма;

4. твердое тело;

5. «планковский
бульон»;

6. черные дыры.

5.19.34.
Как космический объект, астрономически
на­блюдаемая туманность
Андромеды —
это:

#1. ближайшая к
нашей Галактике гигантская галак­тика;

2. межзвездное
облако пыли и газа в нашей Галак­тике;

3. межгалактическое
облако из пыли и газа;

4. одна из туманностей
Млечного пути;

5. местное скопление
га­лактик;

6. сверхскопление
галактик.

5.19.35. Чем обусловлена
смена времен года на Земле?

1. изменением
расстояния от Земли до Солнца в течение
года

2. изменением
ориентации земной оси по отно­шению
к Полярной Звезде;

#3. движением Земли
вокруг Солнца и наклоном оси вращения
Земли к плоскости ор­биты;

4. вращение Земли
вокруг своей оси.

5.19.36.
Вывод о
возможной нестационарности Вселен­ной
в
рамках теории тяготения Эйнштейна
впервые тео­ретически установил:

1. Эйнштейн;

2. Хаббл;

#3. Фридман;

4. Гамов;

5. Эддингтон;

6. Лемэтр.

5.19.37.
Метагалактика, как
динамическая система, по
современным астрономическим наблюдениям:

1. стационарна;

2. пульсирует

3. сжимается;

#4. расши­ряется.

5.19.38.
Одна из возможных стадий эволюции
звезд приводит
к образованию:

1. нейтринных звезд;

#2. черных дыр;

3. протонных звезд;

4. позитронных
звезд.

5.19.39. К какому
классу звезд относится наше Солнце?

1. белым карликам

2. голубым гигантам;

#3. желтым карликам;

4. желтым гигантам.

5.19.40.
Какой интервал
возраста Вселенной
призна­ется современной наукой
наиболее точным?

1. (4-8) млрд лет;

2. (20-30) млрд лет;

#3. (13-17) млрд лет;

4. (9-13) млрд лет.

5.19.41.
Эпоха рекомбинации
в
истории возникновения химических
элементов во вселенной наступила:

1. по окончании
первых 3 минут после «большого взры­ва»;

2. через миллиардную
долю секунды после «большого взрыва»;

#3. к окончанию
первого миллиона лет после «боль­шого
взрыва»;

4. при образовании
первых звезд;

5. в мо­мент взрыва
звезды как сверхновой;

6. в момент
образова­ния первых черных дыр.

5.19.42.
Эпоха рекомбинации
в
эволюции химических элементов это
время:

1. раздельного
существования электронов, протонов и
нейтронов микромира;

2. отрыва электронов
от ядер атомов водорода и гелия и начало
их свободного движения в про­странстве
в качестве космических лучей;

#3. захвата и
удер­жания электронов ядрами атомов
водорода и гелия;

4. зах­вата и
удержания фотонов в атомах водорода и
гелия;

5. захвата и удержания
протонами свободных нейтронов.

5.19.43. Какие химические
элементы образовались в эпоху рекомбинации?

1. все атомы 1-й
группы таблицы элементов

2. только изотопы
водорода

3. все органогены

4. водород, литий,
бор

#5. водород, гелий

6. атомы группы
железа

5.19.44.
Основной чертой (характеристикой)
глобального
эволюционизма является:

1. разрушение
упорядоченности систем и переход к
хаосу;

#2. направленность
развития на структурную упо­рядоченность

3. направленность
изменений в область странных аттракторов

4. приобретение
системой эмерджентных свойств.

когда и кем была разработана, что подтверждает теория


Содержание:


  • Модель расширяющейся Вселенной


  • Описание гипотезы Большого Взрыва


    • Вопрос, который волнует всех: из чего образовалась Вселенная? 


    • Что происходило во время Большого Взрыва, в начальный период существования Вселенной?


  • Проблемы теории расширяющейся Вселенной


  • Современные теории о дальнейшей эволюции Вселенной


Содержание


  • Модель расширяющейся Вселенной


  • Описание гипотезы Большого Взрыва


    • Вопрос, который волнует всех: из чего образовалась Вселенная? 


    • Что происходило во время Большого Взрыва, в начальный период существования Вселенной?


  • Проблемы теории расширяющейся Вселенной


  • Современные теории о дальнейшей эволюции Вселенной



Модель расширяющейся Вселенной

Современная космологическая наука представляет в качестве наиболее вероятной версии разработку модели расширяющейся Вселенной. Полностью название модели звучит как «однородная изотропная нестационарная горячая расширяющаяся Вселенная». 

Построение данной модели напрямую связано с общей теорией относительности, разработанной физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном.

В основу модели легли два предположения:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

  1. Предположение о кривизне пространства и ее связи с плотностью массы (энергии), вытекающее из уравнений Эйнштейна, описывающих гравитационное поле.

  2. Предположение об изотропности и однородности Вселенной, сформулированное советским физиком Александром Александровичем Фридманом в качестве принципа космологии в 1922 году. Согласно ему Вселенная обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях и во всех точках.

Примечание

А.Эйнштейн неоднократно подтверждал, что именно А. А. Фридман положил начало теории расширяющейся Вселенной.

Нестационарность Вселенной считается самым важным принципом ее модели. Основан он на двух постулатах теории относительности:

  • на принципе относительности;

  • на постоянстве скорости света, подтвержденном экспериментальным путем.

Определение

Принцип относительности гласит, что в любой инерциальной системе отсчета все физические процессы будут протекать одинаково, независимо от того, является ли система неподвижной или движется равномерно и прямолинейно.

Приняв за основу космологический принцип однородности и изотропности Вселенной, Фридман сделал вывод, что помимо уже известных решений уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения. 

Это значит, что Вселенная может как сжиматься, так и расширяться. Ее можно представить в виде мыльного шара, радиус и площадь которого при надувании увеличиваются. Речь идет о расширении всего пространства, приводящему к увеличению всех расстояний нашего мира.

Фридманом было предложено 3 варианта развития дальнейших событий в мировом пространстве:

  1. Первый вариант предполагает медленное расширение Вселенной. В результате гравитационного притяжения между галактиками оно должно замедлиться, и в конце концов прекратиться совсем. После этого Вселенная начнет сжиматься, и за счет искривления пространства, она замкнется сама на себя в виде сферы.

  2. Второй вариант предусматривает бесконечное расширение Вселенной. Искривленное пространство при этом имеет форму седла и является бесконечным.

  3. Третий вариант рассматривает Вселенную как плоское и бесконечное пространство. 

Какой из вариантов является действующим моделью эволюции Вселенной, зависит от соотношения гравитационной энергии и кинетической энергии разлета вещества.

В том случае, если гравитационная энергия, препятствующая разлету, окажется меньше, чем кинетическая энергия разлетающегося вещества, силы притяжения будет недостаточно, чтобы препятствовать разбеганию галактик, и процесс расширения Вселенной будет необратимым. Такую модель называют открытой Вселенной.

Если гравитационное притяжение сильнее кинетической энергии, то скорость расширения постепенно замедлится, и начнется обратный процесс — сжатие вещества, до тех пор, пока Вселенная не возвратится в начальное сингулярное состояние. Такая модель носит название закрытой, или осциллирующей, Вселенной.

В промежуточном случае, когда силы гравитации и энергия разлетающегося вещества окажутся равны, расширение будет продолжаться, но скорость его со временем будет уменьшаться и стремиться к нулевой. В результате —ориентировочно через десятки миллиардов лет существования Вселенной — наступит ее квазистационарное состояние. Теоретически Вселенная может начать пульсировать.

К сожалению, на момент своего открытия вывод А. Фридмана не был оценен научным сообществом. Из-за невозможности экспериментального подтверждения его модель расширяющейся Вселенной считалась чисто теоретической.

Идея о расширении Вселенной была поднята вновь в 1929 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл вывел эффект «красного смещения», возникший в результате эффекта Доплера. Этот эффект наблюдается при движении источника излучения относительно наблюдателя. При этом изменяется длина волн или частота колебаний.

В данном случае эффект «красного смещения» свидетельствовал об удалении галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. По последним научным данным скорость расширения Вселенной увеличивается на каждый миллион парсек приблизительно на 55 км/с.

Проводя наблюдения за далекими источниками света, ученые выяснили, что красное смещение пропорционально расстоянию до светового объекта. Это подтверждало справедливость гипотезы Фридмана о том, что видимая часть Вселенной расширяется.

Выявленная пропорциональная зависимость красного смещения галактик и расстояния между ними получила название Закона Хаббла, хотя то же самое открытие было сделано на 2 года раньше бельгийским ученым Жоржем Леметром.

Таким образом, красное смещение помогло подтвердить теорию о нестационарности Вселенной, которая в течение нескольких миллиардов лет измеряется миллиардами парсеков.

Дальнейшие исследования Хаббла привели к выводу о том, что наша галактика является лишь одной из множества галактик, из которых состоит Вселенная. Все они находятся друг от друга на огромном расстоянии, которое постоянно увеличивается. Так из гипотезы благодаря исследованиям возникла концепция расширяющейся Вселенной.

Согласно ей Вселенная эволюционировала от начального сингулярного состояния, характеризующегося сверхвысокой температурой, бесконечной кривизной и плотностью пространства, до расширяющегося.

Фридман объяснял подобный характер Вселенной следующими постулатами:

  • радиус кривизны Вселенной изначально равен нулю, но со временем он увеличивается, притом непрерывно;

  • изменение радиуса кривизны имеет определенный период — Вселенная периодически возвращается в сингулярное состояние (точку), а затем вновь увеличивает радиус кривизны, и это повторяется бесконечно.

Итак, Хабблом было доказано:

  • пространство Вселенной непрерывно расширяется;

  • галактики разбегаются друг от друга;

  • скорость движения галактик непрерывно растет;

  • все расстояния во Вселенной увеличиваются.

Была выведена постоянная Хаббла H, с помощью которой можно связать скорость удаления внегалактического объекта с расстоянием до него. Эта постоянная является одинаковой величиной в каждый момент времени для всех точек Вселенной, но сам коэффициент со временем меняется.

Например, в 2013 году значение постоянной Хаббла H оценивалось в 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк. Более поздние оценки неоднозначны, но в основном дают значения более 70 (км/с)/Мпк.

Постоянная Хаббла позволила определить время, в течение которого происходит процесс расширения Вселенной: от 10 до 19 млрд лет. Наиболее вероятным возрастом существования нашей Вселенной принято считать 15 млрд лет.

Как и любую научную концепцию, теорию Фридмана можно применять лишь в определенных границах, так как она не учитывает квантовые эффекты. Например, ее нельзя использовать в области слишком малых пространственно-временных масштабов

Описание гипотезы Большого Взрыва

Раз Вселенная непрерывно расширяется, значит, когда-то она должна была возникнуть. Как произошло ее первоначальное появление?

Гипотеза Большого Взрыва является составной частью вышеописанной модели расширяющейся Вселенной. Ученые считают, что это событие произошло примерно 13,5 — 14 млрд лет назад. Автор гипотезы — физик Георгий Антонович Гамов, бывший учеником А. А. Фридмана, а название «Большой Взрыв» придумал английский астроном Фред Хойл.

Согласно гипотезе, вначале всего существования был взрыв. Он отличался от привычного нам взрыва на Земле, начинающегося из определенного центра и постепенно распространяющегося в разные стороны, захватывающего окружающее пространство.

Взрыв, о котором идет речь, произошел сразу во всем пространстве, одновременно в каждой его точке. При этом каждая материальная частица начала стремительно удаляется от всех остальных частиц.

Начальное состояние Вселенной называют точкой сингулярности (термин произошел от английского слова «single», в переводе означающим «единственный»). Оно характеризуется:

  • бесконечной плотностью массы;

  • пространством, имеющим вид точки;

  • взрывным расширением.

Одним из следствий гипотезы было предсказание существования реликтового излучения. Это следствие подтвердилось в 1965 году, когда было открыто реликтовое излучение фотонов и нейтрино, которые образовались во время ранней стадии расширения Вселенной.

Вопрос, который волнует всех: из чего образовалась Вселенная? 

Современная наука предполагает, что существующий мир мог возникнуть из вакуума. Вакуум не является абсолютной пустотой. Скорее, это своеобразная форма материи, из которой при определенных условиях способны зародиться ее другие формы.

С точки зрения ученых, Вселенная могла самопроизвольно зародиться из вакуума при спонтанном возникновении энергетического потенциала в отсутствии частиц. То есть возникло поле как вид физической материи.

При этом поле не имело постоянной напряженности, а испытывало флуктуации.

Определение

Флуктуации — отклонение от среднего значения напряженности, равного нулю.

При флуктуации образуются виртуальные частицы, способные участвовать во взаимодействии с другими частицами. Сталкиваясь с себе подобными, они превращаются в реальные.

Что происходило во время Большого Взрыва, в начальный период существования Вселенной?

В космологической науке самой популярной является гипотеза, рассматривающая постепенную эволюцию физической материи. При этом предполагается первоначальное существование единой суперсилы, из которой впоследствии образовались все существующие физические силы.

Ученые говорят о следующих этапах Большого Взрыва:

  • инфляционном;

  • суперструнном;

  • этапе великого объединения;

  • электрослабом;

  • кварковом;

  • этапе нуклеосинтеза.

  1. На инфляционном этапе происходило расширение (раздувание) трех измерений пространства. Когда оно закончилось, энергия расширения была преобразована в элементарные частицы и излучение, вызвавшее увеличение температуры Вселенной.

  2. Второй этап характеризовался появлением первых материальных объектов, получивших название суперструн, так как они обладали длиной и свойством колебаться. Теоретически эти колебания могут образовывать различные частицы и физические поля.

  3. На третьем этапе, по мере снижения температуры во Вселенной, начали происходить определенные физические процессы. В частности, единая суперсила разбилась поначалу на силу гравитации и силу великого объединения. В этом периоде пространственные измерения (длина, высота, ширина) продолжали расширяться. Струны же начали сжиматься из-за понижения температуры и превратились в точечные объекты (элементарные частицы и античастицы). На тот момент все элементарные частицы были одинаковыми и взаимодействовали друг с другом благодаря силе великого объединения.

  4. Электрослабый этап был охарактеризован расщеплением силы великого объединения на две части: сильную и электрослабую. Из-за этого элементарные частицы не смогли больше взаимодействовать друг с другом и разделились на лептоны и кварки. При это они приобрели способность взаимодействовать с излучением и не отличались от него.

  5. Кварковый этап начался с расщеплением электрослабых сил на электромагнитные и слабые. Поскольку электрослабая сила в начале этапа сдала свои позиции сильной силе, то под воздействием последней кварки объединились в нейтроны и протоны.

  6. При достижении Вселенной возраста 10 000 с и при температуре 1 млрд градусов начался этап нуклеосинтеза, во время которого началось образование ядер атомов гелия и водорода. Весь процесс занял около трех минут. Последующие 300 000 лет расширение Вселенной продолжалось при постепенном понижении температуры до 3000 градусов. Этот период характеризуется образованием атомов из электронов (протонов и нейтронов) и ядер атомов. Так началась эра вещества, а период, названный Большим Взрывом, закончился.

Проблемы теории расширяющейся Вселенной

Теория расширяющейся Вселенной, несмотря на огромную популярность, имеет ряд проблем:

  1. Существует мнение, что если бы Вселенная начала расширяться в результате Большого Взрыва, то это могло бы вызвать возникновение сильного неоднородного распределения вещества. Однако этого не наблюдается.

  2. Гипотеза Большого Взрыва принимает расширение Вселенной как факт, не объясняя его.

  3. Если предположить, что вначале Вселенная была симметричной, с одинаковым количеством материи и антиматерии, то должен был существовать специальный механизм, который привел к преобладанию частиц над античастицами, а материи — над антиматерией (барионной асимметрии). Этот механизм, бариогенезис, вызвал бы возможность распада протона. А этого не наблюдается.

  4. В теориях, посвященных этапу Великого объединения, предполагалось возникновение магнитных монополей в большом количестве. Но они до сих пор не обнаружены.

  5. Современными учеными подвергается сомнению и вывод Хаббла, что все соседние галактики удаляются от Земли (а значит, Вселенная расширяется), на том лишь основании, что у них наблюдается красное спектральное смещение. Ученые считают, что красное смещение нельзя однозначно объяснять лишь эффектом Допплера. Это может происходить и по причине того, что гравитационные потенциал звезд превышает гравитационный потенциал Земли, и именно это приводит к отличию излучаемой элементами частоты. На основании этого современные ученые делают вывод, что красное смещение вызвано изменением частоты колебаний, когда элементы находятся в области с большим, чем на Земле, гравитационным потенциалом, а вовсе не из-за удаления от нее звезд и галактик.

Современные теории о дальнейшей эволюции Вселенной

Взяв за фундамент модель расширяющейся Вселенной, ученые вывели ряд теорий о ее дальнейшей эволюции. 

Согласно им, пространство продолжает расширяться, приводя к увеличению разреженности материи, удалению галактик и их скоплений друг от друга, приближению температуры фонового излучения к абсолютному нулю.  

Все звезды когда-то должны будут завершить свой жизненный цикл и превратиться в один из трех вариантов: 

  • в белых карликов, которые со временем остынут, став холодными черными карликами;

  • в нейтронные звезды;

  • в черные дыры.

Придет к концу эра светящегося вещества. Останутся холодное излучение, элементарные частицы, темные массы вещества, которые будут разлетаться все дальше друг от друга в продолжающей разрежаться пустоте.

Огромное количество вещества Вселенной будет поглощено черными дырами. По теории Хокинга, со стороны черных дыр будет продолжать исходить излучение. Но должно будет пройти очень много времени, прежде чем что-то заметно изменится. Проблема в том, что черные дыры поначалу будут поглощать энергию фонового излучения в гораздо больших размерах, чем производить собственную. Поэтому фоновое излучение остынет намного быстрее.

По прогнозам ученых это может случится, когда возраст Вселенной будет больше нынешнего в десятки миллионов раз. Только после этого черные дыры, имеющие массу, равную массе Солнца, начнут взрываться и выбрасывать потоки частиц и излучения.

Английский физик Джон Барроу и американский физик Фрэнк Типлер изложили свою теорию будущей картины расширяющейся Вселенной в совместной работе на эту тему. Они предполагали, что старая нейтронная звезда содержит в своих недрах достаточно энергии, чтобы передавать ее частицам, находящимся вблизи ее поверхности. В результате этого процесса вещество, из которого состоит нейтронная звезда, должно полностью испариться со временем.

По их теории, черные дыры, распадаясь, вызовут рождение частиц и античастиц в равной пропорции.

Типлер и Барроу  считали, что если запаса энергии во Вселенной ровно столько, чтобы хватило для ее неограниченного расширения, и не более, то электрическое притяжение в парах, создаваемых электроном и позитроном, должно перевесить как гравитационное притяжение, так и общее расширение Вселенной.

В этом случае все электроны и позитроны за определенный промежуток времени пройдут процесс аннигиляции друг с другом. В итога, по мнению двух ученых, последняя стадия существующей материи будет представлена не черными дырами и холодными темными телами, а повсеместным разреженным излучением, остывающим до одинаковой конечной температуры.

Немецкий физик Герман фон Гельмгольц еще в 1854 году высказал мысль о неизбежности смерти Вселенной в результате выравнивания температуры ее вещества. Согласно второму началу термодинамики происходит передача тепла к холодным телам от более теплых. Со временем разница их температур будет ничтожной, что приведет к невозможности дальнейшего совершения работы.

К тем же выводам нас приводят современное представление о Вселенной, которая непрерывно и безгранично расширяется, и концепция о квантовом излучении черных дыр.

Ученые не пришли к единому мнению о том, как закончится противоборство между гравитационным притяжением вещества Вселенной и ее расширением.

  1. Если притяжение окажется сильнее сил разбегания, то наступит процесс Большого Сжатия, и Вселенная придет к начальному состоянию сингулярности, которое с одинаковой вероятностью может стать как началом нового цикла расширения, так и концом существования Вселенной.

  2. Если же победят силы разбегания, то расширение Вселенной будет неограниченно долгим. Но силы притяжения все еще будут иметь большое значение для определения конечного состояния вещества. Возможны 2 варианта:

  • темные холодные массы продолжат рассеиваться и дальше;

  • вещество превратится в безграничное однородное излучение.

В очень отдаленном будущем наша эпоха звездной активности может оказаться кратчайшим мгновением в ее бесконечном существовании.

На настоящий момент, благодаря собранным данным, перевешивает теория о вечном расширении Вселенной. Хотя все еще есть надежда на то, что Вселенная окажется пульсирующей, и со временем вещество и излучение вновь смогут возродиться в ней.


Насколько полезной была для вас статья?

У этой статьи пока нет оценок.

Измерение скорости расширения Вселенной

До того, как был запущен телескоп Хаббл, существовала огромная неопределенность в отношении скорости расширения Вселенной. Это значение необходимо для расчета возраста Вселенной, оценки ее эволюции за миллиарды лет и понимания движущих ее сил. Сначала астрономы были рады сузить оценку расширения до 10-процентной точности. Теперь, при большой настойчивости и точных наблюдениях, они приближаются к точности в один процент.

В 1929 году Эдвин Хаббл предоставил первое наблюдательное свидетельство того, что Вселенная имеет конечный возраст. Используя самый большой телескоп того времени, он обнаружил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется в космос. Это означает, что Вселенная расширяется равномерно во всех направлениях. Хаббл заметил, что свет от далеких галактик растягивается до более длинных волн или окрашивается в красный цвет — явление, называемое красным смещением.

Точно определив скорость расширения, называемую постоянной Хаббла, можно перемотать космические часы и рассчитать возраст Вселенной. Однако оценки расширения Эдвина Хаббла подразумевали, что Вселенная была моложе возраста Земли и Солнца. Таким образом, Хаббл пришел к выводу, что явление красного смещения было неизвестным свойством пространства, а не измерением истинной космической скорости. Позднее астрономы поняли, что красное смещение было следствием расширения самого пространства, как это и предсказывалось специальной теорией относительности Эйнштейна.

Однако оценка возраста надежна настолько, насколько точны измерения расстояния. Точное значение постоянной Хаббла является критической опорной точкой для калибровки других фундаментальных космологических параметров Вселенной.

Когда космический телескоп Хаббл был запущен, неопределенность относительно скорости расширения Вселенной уменьшилась в два раза. Это означало, что возраст Вселенной мог составлять 9,7 миллиарда лет или 19,5 миллиарда лет. Младшее значение представляло огромную проблему; это означало бы, что вселенная была моложе , чем самые старые известные звезды.

Ранние наблюдения Хаббла искали космические вехи, переменные звезды цефеиды, во все более далеких галактиках. Здесь показана галактика M100, расположенная на расстоянии 56 миллионов световых лет от нас. Эти данные уточнили оценки скорости расширения Вселенной.

В 1994 году астрономы начали уточнять постоянную Хаббла, проводя точные измерения расстояния до скопления галактик Девы, расположенного на расстоянии 56 миллионов световых лет. Это позволило астрономам приступить к уточнению измерений расстояний, необходимых для расчета более точного значения постоянной Хаббла. Они наблюдали за классом звезд, называемых переменными цефеидами. Эти звезды проходят через ритмичные пульсации, когда их яркость слегка повышается и понижается. Период этих колебаний напрямую связан с собственной яркостью цефеиды. Как только станет известна истинная яркость звезды, астрономы смогут рассчитать точное расстояние до нее.

К концу 1990-х уточненное значение постоянной Хаббла было уменьшено до погрешности всего около 10 процентов. Другая команда астрономов продолжает упорядочивать и укреплять это, калибруя все больше цефеид, еще более далеких, чем локальная Вселенная. Эти данные были сопоставлены с еще более дальними измерениями взрывающихся звезд, сверхновых, чтобы построить космическую «лестницу расстояний». Измерение постоянной Хаббла улучшилось с 10-процентной неопределенности в начале 2000-х годов до менее 2 процентов к 2019 году..

На этой иллюстрации показаны три шага, которые астрономы использовали для измерения скорости расширения Вселенной с беспрецедентной точностью, что позволило снизить общую неопределенность до 2,3 процента. Астрономы провели измерения, оптимизировав и укрепив конструкцию лестницы космических расстояний, которая используется для точного измерения расстояний до галактик вблизи и вдали от Земли.

Для наблюдения за другими маркерами вех, такими как звезда красного гиганта, применялось множество других стратегий наблюдения. Новый метод использует Хаббл, чтобы посмотреть, где гравитация галактики переднего плана действует как гигантская увеличительная линза, усиливая и искажая свет от фоновых объектов, таких как квазары. Затем астрономы надежно определяют расстояния от галактики до квазара, от Земли до галактики и до фонового квазара. Сравнивая эти значения расстояний, исследователи измерили скорость расширения Вселенной, которая совершенно не зависит от методов «лестницы расстояний».

Однако существует тревожное несоответствие между коллективными программами, получающими значения постоянной Хаббла в близлежащей Вселенной по сравнению со значениями для ранней Вселенной. Нынешняя скорость расширения Вселенной может быть предсказана космологической моделью с использованием измерений ранней Вселенной, закодированных в космическом микроволновом фоне (CMB). Реликтовое излучение — это снимок космоса, каким он выглядел всего через 360 000 лет после Большого взрыва (сделанный космической обсерваторией «Планк»). Значение данных Планка расходится с более прямыми измерениями близлежащей Вселенной, сделанными с помощью Хаббла и других обсерваторий.

Согласно стандартным космологическим моделям, значения для ранней и локальной вселенной должны совпадать. Поскольку это не так, это представляет собой серьезную проблему для теоретиков, подразумевая, что существует неполное понимание физических основ Вселенной. Это может потребовать пересмотра текущих астрофизических теорий.

Спустя столетие после открытия расширяющейся Вселенной космический телескоп Хаббл позволил астрономам войти в область точной астрономии, фиксируя скорость расширения с необычайной точностью с помощью нескольких взаимодополняющих стратегий наблюдения. Будущие наблюдения телескопа Хаббла могут помочь устранить расхождение между двумя независимыми подходами, которые измеряют раннюю вселенную по сравнению с расширением поздней вселенной. Это может открыть совершенно новый рубеж в нашем понимании эволюции Вселенной.

Вернуться к началу

Что такое постоянная Хаббла?

Серия объяснений

Узнайте больше о прорывах, впервые реализованных в Чикагском университете

К

Саша Уоррен

Постоянная Хаббла является одним из самых важных чисел в космологии, потому что она говорит нам, как быстро расширяется Вселенная, что может быть использовано для определения возраста Вселенной и ее истории. Он получил свое название от выпускника Калифорнийского университета в Чикаго Эдвина Хаббла, который первым вычислил константу на основе своих измерений звезд в 1929.

Несмотря на почти сто лет астрономических измерений и расчетов, ученые до сих пор не могут прийти к единому мнению о точном значении постоянной Хаббла. Истинное число может выявить недостающие элементы в нашем понимании физики, такие как новые частицы или новая форма темной энергии.

Перейти к разделу:

  • Что такое постоянная Хаббла?
  • Как была открыта постоянная Хаббла?
  • Как это работает?
  • Как измеряется постоянная Хаббла?
  • Каковы возможные объяснения расхождений?
  • Что делают ученые для ее решения?

Что такое постоянная Хаббла?

Выяснение истинного значения постоянной Хаббла является одной из самых сложных задач в современной астрономии и может произвести революцию в нашем понимании Вселенной, поэтому ученые из Чикагского университета и многих других институтов по всему миру пытаются определить это число, используя несколько методов.

Для астрономического объекта (например, звезды или галактики), находящегося на известном расстоянии от Земли, можно использовать постоянную Хаббла, чтобы предсказать, как быстро он должен удаляться от нас.

Однако истинное значение постоянной Хаббла остается предметом споров. Основываясь на фундаментальной физике, которая, по мнению ученых, привела к эволюции Вселенной, постоянная Хаббла должна составлять около 68 км/с/Мпк, но это не соответствует наблюдениям за реальными звездами и галактиками, которые астрономы видят вокруг нас. Астроном из Калифорнийского университета в Чикаго Венди Фридман возглавила группу, которая в 2001 году провела знаменательное измерение и нашла значение 72. Самые последние точные измерения расстояний и движений далеких взрывающихся звезд показывают, что постоянная Хаббла равна 69.0,8 км/с/Мпк, но в других отчетах это значение достигает 74 км/с/Мпк.

Хотя эти различия кажутся небольшими, даже расхождение в 2 км/с/Мпк между предсказаниями физики и наблюдениями означает, что в нашем нынешнем понимании Вселенной может отсутствовать что-то важное.

Как была открыта постоянная Хаббла?

В начале 1920-х годов математики использовали уравнения Эйнштейна для общей теории относительности, чтобы предсказать, что Вселенная должна расширяться, но ученые еще не доказали это с помощью наблюдений. В то время у астрономов даже не было наблюдений, чтобы разрешить Великий спор о размере Вселенной; некоторые даже утверждали, что Вселенная не выходит за пределы Млечного Пути.

Эдвин Хаббл вошел в мир астрономии в это захватывающее время. Он окончил Чикагский университет в 1910 году со степенью бакалавра в области математики, физики и философии, а затем вернулся в Йерксскую обсерваторию Чикагского университета в качестве аспиранта. Работая в калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон, Хаббл использовал свой обширный опыт работы с телескопом для измерения переменных звезд-цефеид. Хаббл использовал работу коллеги-астронома Генриетты Ливитт, чтобы предсказать яркость этих звезд, что позволило ему рассчитать их расстояние от Земли. Мало того, что эти измерения подтвердили, что Вселенная простирается далеко за пределы Млечного Пути, Хаббл заметил, что более далекие звезды, похоже, удаляются 9.0075 быстрее.

В 1929 году Хаббл и его коллега Милтон Хьюмасон использовали свои наблюдения для расчета математической зависимости между расстоянием до звезды и скоростью, с которой она удаляется от Земли, — так родилась постоянная Хаббла. Первоначальная оценка Хаббла составляла 500 км/с/Мпк, что примерно в семь раз превышает значение, которое астрономы считают сегодняшним.

Поколения астрономов усовершенствовали оригинальные методы Хаббла и разработали новые, снизив постоянную Хаббла примерно до 70 км/с/Мпк, но впереди еще долгий путь. Несмотря на то, что астрономы теперь могут проводить невероятно точные измерения гораздо большего количества галактик и звезд, различные методы измерения постоянной Хаббла по-прежнему дают несопоставимые результаты.

Как это работает?

Представьте черничный кекс. По мере того как маффин выпекается и поднимается, тесто расширяется, раздвигая всю чернику. Если две ягоды черники поместить в духовку на расстоянии полдюйма друг от друга, а тесто удвоится в размере, расстояние между ними увеличится до целого дюйма. Если две ягоды черники находятся на расстоянии одного дюйма друг от друга до того, как тесто расширится, они будут на расстоянии двух дюймов друг от друга, когда маффин будет испечен.

Точно так же отдаленные галактики удаляются быстрее, чем близлежащие галактики, и это именно то, что мы ожидаем увидеть во Вселенной, которая расширяется повсюду. Постоянная Хаббла говорит нам о скорости, с которой это происходит.

Вселенная расширяется за счет всей содержащейся в ней массы, излучения и энергии. Уравнение Фридмана, полученное из знаменитых уравнений Эйнштейна для общей теории относительности, можно использовать для математического предсказания скорости расширения Вселенной. Эти уравнения утверждают, что более плотная Вселенная расширяется быстрее, поэтому расширение было самым быстрым, когда все частицы во Вселенной были плотно упакованы после Большого взрыва. За последние 14 миллиардов лет эти частицы — и сопровождающая их энергия и излучение — распространились на огромные расстояния.

Мы можем использовать постоянную Хаббла, чтобы сделать первое предположение о возрасте Вселенной, просто используя уравнение: скорость = расстояние, деленное на время. Постоянная Хаббла сообщает нам скорость объекта на любом расстоянии, а поскольку расстояние между всеми объектами во Вселенной до любого расширения должно быть равно нулю, время в этом уравнении должно быть возрастом Вселенной. В зависимости от значения постоянной Хаббла это дает возраст около 14 миллиардов лет, что недалеко от текущей наилучшей оценки в 13,8 миллиарда лет.

Однако есть небольшое осложнение. Скорости самых далеких звезд и галактик, которые мы можем наблюдать, не соответствуют тому, что предсказывает постоянная Хаббла. Поскольку свет от далекого объекта шел к нам миллиарды лет, на наши наблюдения влияет не только нынешнее значение постоянной Хаббла, но и то, каким оно было, когда Вселенная расширялась медленнее. Другими словами, постоянная Хаббла вовсе не константа!

Как измеряется постоянная Хаббла?

В настоящее время существует три основных способа измерения постоянной Хаббла: использование астрономических измерений для наблюдения за ближайшими объектами и определения скорости их движения; с помощью гравитационных волн от столкновений черных дыр или нейтронных звезд; или путем измерения света, оставшегося после Большого взрыва, известного как космический микроволновый фон.

Астрономические измерения

Чтобы измерить постоянную Хаббла, наблюдая за Вселенной, астрономы должны уметь измерять две вещи:

  1. Расстояние до астрономических объектов
  2. «Скорость удаления» каждого объекта (т. е. насколько быстро он удаляется от наблюдателя)

Скорость рецессии можно измерить, воспользовавшись явлением, называемым эффектом Доплера. Классический пример эффекта Доплера — изменение звука сирены, когда мимо проезжает машина скорой помощи. Это связано с тем, что звуковые волны, движущиеся между вами и машиной скорой помощи, сжимаются по мере приближения машины скорой помощи (по сути, догоняя собственные звуковые волны) и растягиваются по мере того, как она удаляется.

То же самое может случиться со светом: свет от звезд и галактик, удаляющихся от Земли, растягивается так же, как звук сирены скорой помощи, увеличивая длину волны света. Астрономы называют это «красным смещением».

Чтобы измерить красное смещение и, следовательно, скорость объекта, астрономы ищут узоры в свете, излучаемом звездами, известные как линии поглощения. Они всегда возникают на одних и тех же длинах волн, поскольку создаются элементами в атмосферах звезд. Когда красное смещение изменяет длину волны всех линий света и поглощения, исходящих от далекой звезды, астрономы могут измерить, насколько оно сместилось, чтобы рассчитать, как быстро звезда удаляется от нас.

Рассчитать расстояние до объекта часто гораздо сложнее. Для всего, что находится за пределами нашей собственной галактики, ученым необходимо знать присущую объекту яркость и сравнивать ее с его яркостью, наблюдаемой с Земли.

«Принцип прост, — говорит Венди Фридман, профессор астрономии и астрофизики Университета Джона и Мэрион Салливан в Чикагском университете. «Представьте, что вы стоите возле уличного фонаря, который, как вы знаете, находится в 10 футах от вас. Через равные промежутки времени вдоль улицы можно увидеть больше уличных фонарей, которые постепенно тускнеют по мере удаления.

«Знание того, насколько далеко и насколько ярко светит фонарь рядом с вами, а затем измерение того, насколько слабее кажутся более дальние фонари, позволяет вам оценить расстояния до каждого из других фонарей по всей дороге».

Это означает, что астрономы могут рассчитать расстояние до любых объектов, яркость которых можно предсказать; источники света, которые были надежно измерены, известны как «стандартные свечи». В составе команды Ключевого проекта космического телескопа Хаббла Фридман использовал подробные наблюдения за звездами-цефеидами, чтобы найти значение 72-73 км/с/Мпк, где наилучшие звездные оценки постоянной оставались в течение последних двух десятилетий.

Однако, чтобы сделать независимую оценку постоянной Хаббла, Фридман также впервые использовал звезды совершенно другого типа: красные гиганты. Красные гиганты — это звезды в конце своей жизни. Часть их последовательности смерти включает внезапный скачок температуры в ядре звезды до 100 миллионов градусов, сопровождающийся резким падением яркости. Изучая близлежащие красные гиганты на известных расстояниях, астрономы могут измерить максимальную яркость этих умирающих звезд. Фридман использовал эту максимальную яркость красного гиганта для расчета расстояний до далеких галактик.

Используя этот новый метод красных гигантов, Фридман получил новое измерение постоянной Хаббла, которое составило 69,8 км/с/Мпк — между ранее наблюдаемым значением и значением, предсказанным математическими моделями эволюции Вселенной.

Гравитационные волны

Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, и они возникают во время высокоэнергетических событий, таких как столкновения нейтронных звезд. Теперь ученые могут улавливать эти волны на Земле с помощью лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Профессор Чикагского университета Даниэль Хольц был первым, кто предположил, что гравитационные волны могут предложить новый способ расчета космических расстояний, придумав термин «стандартные сирены» в игре со «стандартными свечами».

Астрономы могут использовать форму прибывающих сигналов гравитационных волн, чтобы рассчитать, сколько энергии было высвобождено при столкновении двух нейтронных звезд, и сравнить это с тем, сколько энергии несут сигналы к тому времени, когда они достигают Земли, чтобы рассчитать расстояние. Метод Хольца дает предварительное значение постоянной Хаббла 70 км/с/Мпк, что согласуется с самой последней работой Фридмана.

Моделирование космического микроволнового фонового излучения

После Большого взрыва перегрев всей материи во Вселенной высвободил огромное количество излучения в виде фотонов. По мере расширения Вселенной это излучение все больше и больше смещалось в красную сторону. Запись этого излучения и красного смещения находится в космическом микроволновом фоне, или CMB.

Однако космический микроволновый фон неоднороден; она состоит из более горячих и более холодных участков, которые отражают «комковатость» материи и энергии в очень ранней Вселенной. Объединив фундаментальную физику с оценками количества массы и энергии, содержащихся во Вселенной, космологи могут смоделировать расширение Вселенной от ее начального состояния до наших дней и воспроизвести наблюдаемую комковатость космического микроволнового фона. Космологи повторяли эту процедуру сотни тысяч раз, чтобы найти комбинации условий, соответствующие наблюдениям. Это включает в себя измерение постоянной Хаббла.

Первоначальные результаты моделирования, казалось, согласовывались с астрономическими измерениями на уровне около 73 км/с/Мпк, но по мере того, как наблюдения космического микроволнового фона становились все более и более подробными, их оценка постепенно снижалась. Миссия Planck Европейского космического агентства составила самую подробную карту космического микроволнового фона на сегодняшний день, которая использовалась для расчета наиболее вероятной постоянной Хаббла, составляющей всего 67,8 км/с/Мпк.

Каковы возможные объяснения несоответствия?

Одна из возможностей состоит в том, что один или несколько методов расчета постоянной Хаббла ошибочны. Однако измерения звезд, галактик и космического микроволнового фона невероятно подробны, а это означает, что различия, скорее всего, являются результатом чего-то гораздо более фундаментального, чем неточность.

Одним из решений этой головоломки может быть темная энергия — таинственная, постоянная и пока ненаблюдаемая фоновая энергия, которая не распространяется даже при расширении Вселенной. Истинное значение постоянной Хаббла может указывать на то, что в модели очень молодой Вселенной необходимо добавить больше темной энергии, чтобы стимулировать ее раннее расширение. Это может дать ученым новую информацию о фундаментальной природе темной энергии и о том, как она вела себя на протяжении всей истории Вселенной.

Еще один загадочный символ, который может объяснить это несоответствие, — «темное излучение». Эта теория предполагает существование нового класса субатомных частиц (таких как электроны, нейтрино и фотоны), которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, и перемещаются по Вселенной, вызывая ее расширение.

Еще больше усложняет ситуацию то, что здесь может вообще не быть никакой дополнительной энергии или излучения. Темная материя может просто взаимодействовать со Вселенной способом, который еще не встроен в понимание физики учеными.

Что делают ученые, чтобы решить эту проблему?

Ученые пытаются собрать больше веских доказательств для улучшения каждого метода расчета постоянной Хаббла.