Вселенная. 
Звезды. 
Естествознание

Масштабы и строение Вселенной

Описание структуры Вселенной можно начать с Земли. Это одна из планет Солнечной системы. Ее радиус составляет приблизительно 6400 км. Условно размеры Солнечной системы можно принять равными 50—100 астрономическим единицам.

В астрономии есть ряд собственных единиц длины:

• • астрономическая единица (а. е.), равная 1,5 • 10¹¹ м, определяется как среднее расстояние от Земли до Солнца;
• • световой год (ев. г.), равный 9,46 • 10¹⁵ м, определяемый как расстояние, проходимое светом за год;
• • парсек (параллакс-секунда — пк), равный 3,08 • 10¹⁶ м = 3,26 св. г., определяемый как расстояние, на котором видна большая полуось земной орбиты, под углом 1″ .

Солнце — это звезда. А ближайшая к Солнечной системе звезда находится на расстоянии 1,3 пк.

Звезды и туманности (участки межзвездной среды, излучающие или поглощающие излучения отлично от общего фона неба) собираются в галактики — системы из миллиардов звезд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением. Их размеры варьируются от 5 до 250 кпк (килопарсеков).

Наша Галактика — Млечный Путь состоит из более 150 млрд звезд, диаметр ее около 100 тыс. световых лет. Она имеет форму диска с утолщением в центре. Межзвездное пространство заполнено полями (электромагнитным и гравитационным) и разреженным межзвездным газом.

Галактики собираются в скопления — гравитационно-связанные системы галактик. Характерный их размер по диаметру — десятки миллионов световых лет.

Скопления галактик собираются в сверхскопления галактик — крупномасштабные структуры Вселенной. Их размеры составляют сотни миллионов световых лет. Они столь большие, что нет гравитационной связи между фрагментами. Это позволяет им участвовать в расширении Вселенной.

Предполагают, что сверхскопления являются элементами структур под названием «нити», размеры которых достигают в длину миллиардов световых лет, т. е. более 5% наблюдаемой Вселенной. Они лежат между большими пустотами — войдами (англ, void — пустота), т. е. образуют некую ячеистую структуру — метагалактику — наблюдаемую Вселенную. Число галактик в этой области оценивается более чем в 500 млрд. Ее размер оценивается в 14 млрд пк или 4,6 • 10¹⁰ световых лет во всех направлениях.

И наконец, Вселенная. Это весь наш материальный мир, границы которого не определены ни в пространстве, ни во времени. Вселенная включает в себя все формы материи, возникающие в ходе ее эволюции.

Развитие космологических представлений. В 30-х гг. XVI в. Николаем Коперником была создана гелиоцентрическая система мира. Ее можно считать началом формирования научного представления о Вселенной. В центр мира Коперник поставил Солнце, а Земля и другие планеты вращались вокруг него. Всё это находилось внутри сферы неподвижных звезд.

Последователь Н. Коперника — Джордано Бруно представлял Вселенную и число миров в ней бесконечными, отождествляя звезды с далекими солнцами.

На пороге XVIII в. Ньютон построил свою модель Вселенной. Он отмечал, что если мир конечен и наполнен массами, то рано или поздно они должны слиться друг с другом. Поэтому Вселенная должна быть бесконечной.

В 1795 г. английский астроном Уильям Гершель (1738—1822) предположил, что туманности — это особые объекты, не состоящие из звездных систем.

Как было сказано выше, в 1916—1917 гг. А. Эйнштейн, работая над общей теорией относительности, развил теорию гравитации, которая стала основой для большинства космологических теорий. Он считал, что Вселенная стационарна, и поэтому стремился получить стационарное решение своего уравнения. Для этого он ввел в уравнения общей теории относительности некий параметр — космологическую постоянную, отражающую космичсскос отталкивание.

В 1920;х гг. А. Фридман, применив уравнения Эйнштейна ко всей Вселенной, получил нестационарное решение. А черев пять лет Эдвин Хаббл экспериментально открыл закон, согласно которому скорость удаления галактик пропорциональна расстоянию до них, и тем самым подтвердил выводы Фридмана о нестационарности космоса.

В 1932 г. была выдвинута идея о существовании темной материи, которая не проявляет себя электромагнитным излучением, но обнаруживается в гравитационных взаимодействиях. Автором идеи был американский астроном Фриц Цвикки (1898—1974).

В 40-х гг. XX в. российско-американский физик-теоретик Георгий Антонович Гамов (1904—1968), занимаясь вопросом происхождения химических элементов, применил законы ядерной физики к начальному этапу расширения Вселенной. Так появилось представление о Большом взрыве и «горячей Вселенной». Из этого представления следовало существование изотропного реликтового излучения, температура которого — несколько градусов Кельвина.

В 1964 г. экспериментально подтвердилось наличие реликтового излучения, предсказанного Г. Гамовым. Это дало экспериментальное подтверждение теории «горячей Вселенной» и показало плодотворность применения физики элементарных частиц в космологии.

В 1998 г. обнаружилось, что расширение Вселенной происходит не с постоянной скоростью. Такое поведение Вселенной приписали действию темной энергии. Сегодня, помимо темной энергии, при описании эволюции Вселенной учитывают и темную материю.

Экспериментальные обоснования концепции Большого взрыва. Изначально концепция Большого взрыва была обоснована лишь теоретически. Но со временем стали появляться и экспериментальные подтверждения.

Первые результаты были получены Э. Хабблом. В 1929 г. он обнаружил расширение Вселенной. Это открытие означало, что мы живем в нестационарной Вселенной.

Другой важной проверкой концепции Большого взрыва было обнаружение реликтового излучения. Согласно теории, на раннем этапе развития Вселенная была горячей плазмой, которую составляли электроны, барионы и фотоны. По мере расширения Вселенной происходило остывание плазмы. Плотность вещества стала уменьшаться, и фотоны стали двигаться в пространстве, практически без взаимодействия с веществом. В результате температура фотонов должна была снизиться до 3 К. Полученные экспериментальные результаты дают значения 2,73 К.

Согласно теории Большого взрыва, в процессе первичного нуклеосинтеза образуются элементы не тяжелее лития и возникает следующее соотношение элементов: водорода — 75%, изотопа гелия-4 — 25%, дейтерия — 3 • 10~⁵%, изотопа гелия-3 — 2 • 10^_5% и лития — 10^_9%. Наблюдаемое соотношение этих элементов совпадает с теорией.

Темная материя и темная энергия. Появление представления о скрытой массе возникло из противоречия между наблюдаемыми массами галактик и массами, определяемыми гравитационными эффектами. Кроме того, суммарная масса Вселенной должна быть близка к критической, а наблюдаемая масса существенно меньше. Э го несоответствие было приписано некой темной материи, не испускающей электромагнитного излучения и не взаимодействующей с ним. Но ее можно наблюдать косвенно по гравитационным эффектам, например, по эффекту «гравитационной линзы».

Ранее полагали, что основная масса Вселенной состоит из двух компонент: видимой (обычной) и невидимой (темной) материи. Считалось, что их суммарная плотность будет больше критической и процесс расширения Вселенной будет замедляться. Но последние наблюдения показали, что расширение, наоборот, ускоряется. Тогда сделали предположение, что во Вселенной, помимо обычной энергии, есть еще темная энергия с отрицательным давлением.

В марте 2013 г. были опубликованы данные наблюдений космической обсерватории «Планк», из которых следовало, что наблюдаемая Вселенная имеет массу-энергию, состоящую на 68,3% из темной энергии и на 26,8% из темной материи. На обычную массу приходится всего 4,9%.

О темной массе-энергии мы знаем очень мало. Она имеет низкую плотность и равномерное распределение в пространстве. С обычной материей она взаимодействует через гравитационное поле, но это взаимодействие очень мало. В других типах фундаментальных взаимодействий она не участвует.