Современные космологические модели Вселенной

Как уже указывалось, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как и сейчас. Наука XIX в. рассматривала атомы как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвестен, поэтому нельзя было судить о времени их жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по-прежнему будет стационарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты — свой неизменный бег по орбитам. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

• • Вселенная — это все существующее, «мир в целом"] космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания;
• • пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов;
• • пространство и время метрически бесконечны;
• • пространство и время однородны и изотропны.

Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции, изменяться могут лишь конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в следующем. Если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большой, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна иметь место бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология с учетом представлений об эволюционирующей Вселенной.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).

Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве. Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается независимой от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т. е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер (1872—1934) предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже при наличии «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. российский математик и геофизик А. А. Фридман (1888—1925) отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений А. Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Решение уравнений А. А. Фридмана допускает три возможности:

• • если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, то мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния;
• • если плотность вещества и излучения меньше критической, то пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется;
• • если плотность больше критической, то пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и астроном Ж. Леметр (1894—1966) связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности, т. е. сверхплотного состояния, и рождения Вселенной в результате Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) обнаружил, что в спектрах излучения далеких галактик спектральные линии смещены к красному концу. Если это смещение понимать как результат эффекта Допплера, то это означает, что галактики «удаляются» от нас со скоростью, линейно зависящей от расстояния между ними. На основании красного смещения спектра излучения дальних галактик ученые пришли к выводу о расширении Вселенной. Этот грандиозный космический эффект получает объяснение в рамках теории А. А. Фридмана, фактически предсказавшей его. Расширение Вселенной долгое время считалось научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели не представлялось возможным.

Последние исследования в этой области показали, что Вселенная не просто расширяется, но расширяется с ускорением.

Американские ученые С. Перлмуттер и А. Райес, а также австралийский ученый Б. Шмидт, открывшие противоречащий фундаментальному закону Хаббла феномен ускоряющегося расширения Вселенной, а также роль темной энергии в нем стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2011 г.

То, как происходило расширение Вселенной миллиарды лет назад, было определено в конце XX в. в рамках двух наблюдательных проектов. Один проект, «Сверхновые для космологии» (Supernova Cosmology Project, SCP), возглавил С. Перлмуттер. Другой проект, под названием «Поиск сверхновых на больших красных смещениях» (high-z Supernova Search Team), возглавили А. Райес и Б. Шмидт. По наблюдениям блеска сверхновых звезд можно немедленно определить расстояние до галактики, в которой вспыхнула сверхновая.

Используя разные методы анализа и разные наблюдения, обе группы ученых показали наличие ускорения расширения Вселенной. В своей работе нобелиаты 2011 использовали данные, полученные космическим телескопом «Хаббл»; эта информация считается одним из наиболее важных результатов работы телескопа, запущенного на орбиту весной 1990 г.

Группа Перлмуттера объявила об открытии первой, но группа Райеса — Шмидта опередила ее в публикации.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая «темная материя». На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии, которую назвали «темной энергией».

Ученые констатируют, что наблюдения процесса расширения Вселенной изменили наше понимание всей Вселенной, поскольку этот эффект связан с существованием во Вселенной загадочной субстанции космического пространства, физику которой никто не знает, и которая до 95% состоит из объектов, о которых мы ничего не знаем, это так называемые темная материя и темная энергия. И только 5% — это то, что мы видим. Это открытие стало вызовом для современной космологии.

Благодаря работам Перлмуттера, Райсса и Шмидта можно предвидеть будущее Вселенной: ее расширение никогда не прекратится, а будет происходить все быстрее и быстрее.