Введение

Космология - физ. учение о Вселенной как целом, основанное на наблюдательных данных и теоретич. выводах, относящихся к охваченной астрономич. наблюдениями части Вселенной. Теоретич. фундамент К. составляют осн. физ. теории (теория тяготения, теория эл.-магн. поля, квантовая теория и др.), эмпирические сведения предоставляются ей гл. обр. внегалактической астрономией, а ее выводы и обобщения имеют большое общенаучное и философское значение.

Важную роль в К. играет тяготение  т. к. именно оно определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, характерных для К., а следовательно и динамику космич. материи. Наряду с изучением динамики космич. материи К. рассматривает её совр. физ. св-ва, а также их эволюцию.

Вещество, входящее в состав звёзд, галактик, межгалактич. газа и т. п., в прошлом имело иные св-ва. Оно прошло, согласно совр. космологич. представлениям, стадию чрезвычайно высоких плотностей и темп-р, ещё недоступных экспериментальной физике. Эта стадия отстоит от современной на 10 - 20 млрд. лет. По-видимому, в то время первичная материя была распределена однородно и изотропно, без выделенных областей или направлений, и находилась в состоянии повсеместного расширения, ведущего к уменьшению плотности и темп-ры. При темп-рах 10¹²-10¹¹ К характерное время расширения (напр., время уменьшения темп-ры вдвое) составляло тысячные доли секунды. При понижении темп-ры до ~10¹¹ К плотность материи (включая излучение, частицы и античастицы) должна была уменьшиться до плотности ядерного вещества. С этого момента эволюции становится возможным изучение св-в материи на основе твердо установленных ядерной физикой фактов и развитой теории.

Эпоха, соответствующая температуре T » 10¹⁰-10⁸ К и времени расширения t ~1 с, явл., вероятно, наиболее ранней, о к-рой есть прямые наблюдательные свидетельства. В ту эпоху должно было происходить образование ядер гелия, дейтерия и др. лёгких элементов из протонов и нейтронов. Содержание этих элементов в совр. космич. веществе согласуется с расчётными значениями, что говорит о космологич. происхождении лёгких элементов (тяжёлые элементы синтезируются в звёздах).

После образования ядер лёгких элементов (t ~100 с) вещество ещё длительное время (ок. 1 млн. лет) представляло собой плазму. В термодинамическом равновесии  с плазмой находилось излучение (темп-ра вещества, т. е, протонов, электронов, ядер лёгких элементов, была равна темп-ре излучения, спектр излучения - планковский, . Высокие плотность и темп-ра излучения не позволяли образовываться нейтральным атомам (было много фотонов, способных ионизовать вещество). После снижения темп-ры до Т = 4000 К электроны смогли присоединиться к ядрам элементов - наступила т. н. эпоха разделения вещества и излучения (не совсем точно, но короче её наз. эпохой рекомбинации). Фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом, начали распространяться свободно и наблюдаются сейчас в виде равновесного микроволнового фонового излучения  (реликтового излучения).

Вероятно, уже на самых ранних стадиях эволюции Вселенной существовали незначительные отклонения от однородности и изотропии. В послерекомбинационную эпоху возмущения однородности и изотропии стали нарастать благодаря. гравитационной неустойчивости. Полагают, что именно такие малые возмущения плотности вещества привели в конце концов к образованию наблюдаемой сейчас пространственной структуры в виде галактик и их скоплений.

Совр. Вселенная характеризуется высокой степенью однородности и изотропии лишь в больших масштабах, включающих много скоплений галактик, а в меньших масштабах, типичных для отдельных галактик и скоплении,- сильной неоднородностью и анизотропией. По этим причинам К. развивается в двух направлениях. Одно из них, исходя из принципов однородности и изотропии, описывает крупномасштабную структуру совр. Вселенной, её эволюцию и физ. процессы в ранней Вселенной. Второе направление учитывает сколь угодно большие отклонения от однородности и изотропии (его наз. также теорией анизотропной неоднородной Вселенной), оно плодотворно используется при описании развития и образования мелкомасштабной структуры Вселенной.

Теоретич. основой для описания эволюции вещества и гравитац. поля явл.: релятивистская (неквантовая) теория тяготения и квантовая теория вещества и излучения. Первая из них описывает механич. движение материи, вторая - процессы излучения и поглощения света, рождения ианнигиляции  частиц и античастиц, ядерные реакции  и т. п. Предположение об однородности и изотропии распределения первичной материи находит своё отражение в моделях однородной изотропной расширяющейся Вселенной. Их называют фридмановскими космологич. моделями, поскольку первые модели нестационарной Вселенной были предложены в 1922 г. советским учёным А. А. Фридманом на основе общей теории относительности (теории тяготения) А. Эйнштейна. В этих моделях расширение Вселенной начинается от состояния, характеризующегося бесконечной плотностью вещества (от сингулярности). Св-ва вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и гравитац. поля применимы к веществу, плотность к-рого меньше r_Пл = ~10⁹³ г/см³, а темп-ра ниже T_Пл = ~ 10³² К. Эти значения r и Т носят название планковских. Они получены из фундаментальных физ. постоянных: скорости света с, гравитационной постоянной G,  Планка постоянной h и Болъцмана постоянной k. Согласно фридмановским космологич. моделям, значения T_Пл и r_Пл характерны для Вселенной, имеющей возраст t ~ t_Пл = ~10³² с. В эту эпоху физ. условия таковы, что для их описания потребуется ещё не созданная квантовая теория тяготения.

2. Наблюдательные основы современной космологии

Мир галактик. В хорошо исследованной области пространства, на расстояниях до 1500 Мпк, находится неск. миллиардов звёздных систем -  галактик. Таким образом, наблюдаемая область Вселенной (её наз. также Метагалактикой) - это прежде всего мир галактик. Большинство галактик входит в состав групп и скоплений, содержащих десятки, сотни и тысячи членов. Наша Галактика принадлежит к Местной группе галактик, к-рая в свою очередь примыкает к скоплению галактик с центром в направлении созвездия Девы. Скопление галактик в Деве содержит более тысячи членов и имеет размер » 3 Мпк, расстояние до него » 20 Мпк. Месторасположение нашей Галактики таково, что распределение ближайших галактик выглядит анизотропным - с ярко выраженным превышением числа галактик в направлении Девы по сравнению с числом галактик, наблюдаемых в противоположном направлении. Однако эта анизотропия исчезает по мере перехода к подсчёту всё более слабых и, следовательно, всё более далёких галактик.

С целью выяснения закономерностей пространственного распределения галактик производились подсчёты числа галактик в разных направлениях на небесной сфере и до разной "глубины", т. е. до всё больших видимых звёздных величин. Согласно наблюдениям, для галактик слабее 14-й звёздной величины и вплоть до предельно слабых галактик, доступных совр. телескопам (ок. 24^m), свойственно однородное пространственное распределение. Во всяком случае в объёмах с характерным размером ~ 100 Мпк, где содержится много скоплений галактик, ср. плотность r вещества ("размазанного" вещества галактик) практически совпадает со ср. значением р по всему обследованному пространству - объёму с радиусом в несколько тыс. Мпк (» 3^.10^-31 г/см³ с возможной погрешностью в неск. раз в ту или другую сторону).

Кроме вещества, образующего звёзды галактик, в Метагалактике есть др. виды вещества и излучения: нейтральный и ионизованный газ (прежде всего в скоплениях галактик, а также и между скоплениями), пыль, космич. лучи и слабые магн. поля, очень важным компонентом явл. т. п. реликтовое радиоизлучение (см. п. 3). Вклад этих видов вещества и излучения в общую плотность энергии незначителен. Неизвестен вклад в плотность энергии тех видов материи, к-рые слабо взаимодействуют с обычным веществом и, следовательно, трудно поддаются обнаружению. Особенно важным было бы установление плотности энергии нейтрино (безмассовых или обладающих массой покоя), а также гравитац. волн. В межгалактич. пространстве могут присутствовать также другие, ещё не обнаруженные или даже пока неизвестные виды материи.

Однородность распределения всех видов материи в Метагалактике подтверждается подсчётами далёких радиоисточников (они равномерно заполняют пространство), малостью пекулярных (т. е. случайных, за вычетом систематических) скоростей галактик, не входящих в группы и скопления, изотропией рентг. фонового излучения, к-рое представляет собой излучение множества дискретных источников. Наконец, наиболее убедительно свидетельствует о крупномасштабной однородности вещества и гравитац. поля высокая степень изотропии реликтового радиоизлучения.

Опираясь на экспериментально установленную однородность пространственного распределения скоплений галактик и др. видов вещества и излучения, К. рассматривает Метагалактику как сплошную среду, имеющую однородную плотность, по величине не меньшую, чем плотность "размазанного" вещества галактик. Такое представление о крупномасштабной структуре Вселенной пригодно, по крайней мере, в качестве первого приближения.

Нестационарность Вселенной. На нестационарность окружающего мира указывает эволюция звёзд и звёздных скоплений, процессы типа взрывов и истечения вещества из звёзд и ядер галактик. Нестационарность наблюдаемой части Вселенной проявляется в её расширении, что установлено по систематич. движению далёких галактик.

Спектр. линии в спектрах далёких галактик смещены по сравнению с положением тех же линий, полученных в лабораторных условиях на Земле, к красному концу спектра. Относительное изменение длины волны спектр. линии (

z = (l - l₀)/l₀,        (1)

где l₀ - лабораторная длина волны, l- длина волны смещённой линии в спектре далёкой галактики. Значение z достигает 3,5 для далёких квазаров .  Красное смещение спектр. линий объясняется Доплера эффект      обусловленным движением источника света в направлении от наблюдателя. При скорости источника света v << с относительное изменение частоты z » v/c. Т. о., по измеренному z можно определить лучевую скорость удаления ("разбегания") галактик. Красное смещение, наблюдаемое в спектрах всех далёких галактик для всех направлений на небе, указывает, что галактики удаляются от нашей Галактики и друг от друга. Это движение явл. основным, общим. На него накладываются малые случайные (пекулярные) движения отдельных галактик.

Расширение (нестационарность) Метагалактики было надёжно установлено после того, как амер. астроном Э. Хаббл в 1929 г. вывел из данных наблюдений закон пропорциональности между величиной z и расстоянием до далёкой галактики r :

z = H^.r/c        (2)

Отсюда следует, что чем дальше расположена галактика, тем с большей радиальной (лучевой) скоростью она движется:

v = H^.r        (3)

Коэфф. пропорциональности Н наз. постоянной Хаббла. Значение Н не зависит от направления на небесной сфере и от расстояния до галактики. По совр. оценкам, величина Н равна от 50 до 100 км/с на 1 Мпк. Обратная величина имеет размерность времени и равна t_H = 1/H » 10-20 млрд. лет.

Рис. 1. Пропорциональность логарифма скорости удаления галактик lg v = lg (cDl/l) их видимой звёздной величине m = М + 5lg r - 5, где М - абс. звёздная величина, r - расстояние до галактик, v и с в км/с (закон Хаббла).

Закон (2) проверен для большого числа галактик, включая самые далёкие из наблюдаемых. Закон (3) более точно выполняется не для отдельных галактик, а для их скоплений, т. к. при этом усредняются случайные скорости отдельных галактик скопления.Дисперсия скоростей  галактик в скоплении может достигать 1000 км/с, однако центры скоплений и групп галактик, а также индивидуальные галактики, не входящие в группы и скопления, подчиняются закону (3) с точностью » 15% (рис. 1). Случайные скорости, дополнительные к общему хаббловскому расширению, не превышают у них, вероятно, 50-100 км/с. Единственным обнаруженным пока систематич. движением, дополнительным к хаббловскому, явл. движение галактик Местной группы в направлении скопления галактик в Деве со скоростью (610±50) км/с.

Важным наблюдаемым фактом явл. отсутствие зависимости постоянной Хаббла Н от угловых переменных и от r. Изотропия расширения, т. е. независимость наблюдаемой картины расширения от направления на небесной сфере, рассматриваемая сама по себе, означает сферич. симметрию с центром в точке наблюдения. Отсутствие зависимости Н от r означает большее - одинаковость наблюдаемой картины в разных точках наблюдения, т. е. однородность Вселенной. Положение земного наблюдателя ничем не выделено. Наблюдатель может находиться на одной из удаляющихся галактик, и для него закон расширения также будет описываться ф-лой (3). Действительно, переход к движущейся системе координат с центром в точке А производится по ф-лам: r' = r - r_A, v' = v - v_A . Относительно новой (штрихованной) системы координат закон (3) имеет вид v' = v - v_A = Нr - Нr_A = Нr', т. е. прежний вид v = Нr'.

Отсутствие выделенных направлений на небесной сфере особенно надёжно подтверждается изотропией темп-ры реликтового радиоизлучения. Фотоны реликтового излучения, приходя к нам, покрывают расстояния, в неск. раз превышающие расстояния до далёких галактик, и при этом темп-ра излучения, определённая для разных направлений, оказывается одинаковой с точностью до десятой доли %.

Следует подчеркнуть, что смещение z, определяемое ф-лой (1), имеет физ. смысл при сколь угодно больших z, однако ему можно сопоставлять скорость удаления v  и согласно равенству z = v/c только при малых v/c и z, т. е. когда можно пренебречь z² по сравнению с z. При z l пользоваться ф-лой z = v/c нельзя. Напр., нек-рые из квазаров имеют z > 2. Разумеется, это не означает, что они удаляются от нас со скоростью > 2с. Согласно спец. теории относительности, z стремится к бесконечности при стремлении скорости источника к скорости света (v ® c, l ® Ґ, z ® Ґ). При больших z сказывается также гравитац. смещение спектр. линий, обусловленное гравитац. полем вещества на пути следования света от источника к наблюдателю. Полное описание явления красного смещения даёт релятивистская К. (см. п. 5).

Реликтовое радиоизлучение. Микроволновое фоновое излучение  Вселенной, которое называется также реликтовым излучением, было открыто в 1965 г. амер. астрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном. От излучения звёзд, галактик и др. астрономич. источников реликтовое излучение отличается двумя важнейшими св-вами: угловой изотропией, т. е. одинаковой интенсивностью от всех участков неба, и планковской (равновесной) формой спектра. Его темп-ра T » 3 К. Для К. важен как сам факт существования фонового радиоизлучения, так и возможность исследования с его помощью физ. процессов во Вселенной и её структуры.

Спектр реликтового излучения хорошо изучен в диапазоне длин волн от 3 мм до 21 см. Интенсивность реликтового излучения в этом диапазоне не зависит от направления на небесной сфере с точностью до десятой доли % (угловая изотропия излучения). Данные об угловой изотропии несколько различаются в зависимости от рассматриваемого углового масштаба. В мелких масштабах (от 3 до 150') существуют лишь ограничения на возможную анизотропию в виде неравенства dТ/Т < 10^-4 (где dТ - отклонение темп-ры от равновесного значения Т). В масштабе » 30^o dТ/T < (3-5)^.10^-4. Наконец, в больших угловых масштабах обнаружена слабая дипольная анизотропия на уровне dТ/T » 10^-3. Это различие темп-р однозначно интерпретируется как результат движения Солнечной системы относительно фона реликтового излучения с v » 420 км/с . Темп-ра реликтового излучения, идущего из области на небесной сфере, в направлении к-рой движется Солнце, несколько выше ср. значения, а из диаметрально противоположной области неба - несколько ниже. Обнаружены даже годовые вариации темп-ры, связанные с движением Земли вокруг Солнца.

Плотность энергии равновесного реликтового излучения составляет 5^.10^-13 эрг/см³. Излучение с такими характеристиками не может быть излучением звёзд с термоядерными источниками энергии или множества дискретных источников (квазаров и др.), находящихся на космологич. расстояниях. В то же время интерпретация этого излучения как сохранившегося от предшествующей плотной и горячей стадии развития Метагалактики (по этой причине оно и было названо реликтовым) явл. совершенно естественной и согласуется с др. экспериментальными и теоретич. сведениями. Планковский характер спектра фонового излучения согласуется с выводом о его реликтовом происхождении, поскольку в процессе расширения Вселенной излучение со спектром, первоначально соответствовавшим закону Планка, остаётся планковским, уменьшается лишь его темп-ра. Если R(t) характеризует размер к.-л. большого расширяющегося объёма в Метагалактике, то плотность энергии излучения падает с расширением пропорционально R^-4, поскольку уменьшается ср. концентрация фотонов (~R^-3) и энергия (частота) каждого из них (~R^-1). Темп-ра излучения убывает, следовательно, как

Т ~ R^-1             (4)

На ранних стадиях расширения Вселенной, в эпоху высоких темп-р, не существовало нейтральных атомов и молекул, т. к. энергия фотонов и теплового движения частиц превышала энергию связи атомов и молекул. По этой причине вещество в целом находилось в состоянии плазмы,   и равновесный спектр реликтового излучения сформировался благодаря взаимодействию излучения с плазмой. Когда темп-ра плазмы и излучения снизилась до 4000 К, фотоны реликтового излучения уже не могли ионизовать атомы. Электроны присоединились к ядрам атомов, и вещество в массе своей стало нейтральным. С этого периода, к-рый соответствует z = z_r » 1400-1500, фотоны реликтового излучения распространяются практически свободно. Огромная величина свободного пробега фотонов реликтового излучения (миллиарды световых лет от акта их последнего рассеяния) явл. причиной, по к-рой оно стало эффективным средством исследования крупномасштабной структуры Вселенной.

Химический состав вещества и возраст Метагалактики. Разнообразные методы исследования (спектральный анализ Солнца, звёзд и межзвёздной среды, изучение состава первичных космических лучей, хим. анализ метеоритов и др.) позволяют оценить космич. распространённость хим. элементов. Наиболее распространён простейший элемент - водород. Если распространённость водорода (Н) принять за единицу, то относительное содержание атомов гелия (⁴Не) составляет ~10^-1, дейтерия (изотопа водорода) ²D ~ 10^-5. Распространённость др. элементов ещё ниже. Часто распространённость элементов описывают не числом атомов, а их долей в общей массе космич. вещества. Тогда, согласно наблюдениям, примерно 75% массы приходится на водород и ок. 25% - на гелий. Вклад др. элементов существенно меньше. По совр. представлениям, элементы от ¹²С до ⁵⁶Fe образуются в недрах звёзд на спокойной стадии их эволюции как продукт термоядерных реакций, а более тяжелые элементы - во взрывных процессах типа вспышек сверхновых. Благодаря вспышкам (взрывам) элементы попадают в  межзвёздный газ.

Гелий и дейтерий также образуются и сгорают при термоядерных реакциях в звёздах, однако их фактич. распространенность свидетельствует о том, что в основном они имеют космологическое, дозвёздное происхождение. Наблюдаемая распространённость ⁴He слишком высока, чтобы её можно было объяснить только реакциями синтеза в звёздах. Если предположить, что термоядерная реакция превращения водорода в гелий явл. единственным источником светимости звёзд нашей Галактики, то за время ~10¹⁰ лет гелия образовалось бы примерно в 15 раз меньше, чем фактически наблюдается. Кроме того, звёздный гелий не выбрасывается в окружающее пространство, т. к. на стадии образования гелия звёзды не взрываются. Прямые наблюдения гелия (особенно первичного, не являющегося продуктом нуклеосинтеза в звёздах) весьма трудны, однако знаменательно, что разнообразные астрофизич. методы приводят к примерно одинаковому значению относительного содержания гелия, близкому к 25% по массе. Следовательно, большая часть гелия имеет космологич. природу. Что касается дейтерия, то в различных ядерных реакциях ему легче сгореть, чем образоваться. Поэтому наблюдаемая распространённость дейтерия есть, скорее всего, нижний предел его первичного (дозвёздного) содержания. С задачей объяснения распространённости гелия и дейтерия успешно справляется теория ядерного нуклеосинтеза в ранней горячей Вселенной.

Среди множества элементов в земных породах и космич. веществе есть различные радиоактивные элементы, способные к самопроизвольному распаду. Естественно предположить, что радиоактивные элементы начали возникать вместе с образованием звёзд Галактики в процессах звёздного нуклеосинтеза. Учитывая как скорость образования таких элементов, так и скорость их распада, по совр. относительному содержанию элементов удаётся оценить возраст Галактики . По данным о радиоактивном распаде элементов он составляет » (11-13)^.10⁹ лет. К таким же величинам приводят оценки возраста звёзд на основе теории звёздной эволюции с начальным содержанием гелия »25% и водорода »75%, а также оценки возраста звёздных шаровых скоплений. Напомним, что характерное "хаббловское" время t_H ~ (10-20)^.10⁹ лет.

Т. о., из всей совокупности данных - расширения Метагалактики, существования реликтового излучения с планковским спектром, определений возраста различных астрономич. систем - с большой достоверностью следует, что 10-20 млрд. лет назад во Вселенной начались важнейшие процессы, развитие к-рых привело к появлению наблюдаемой ныне структуры Вселенной. Более детальное описание этих процессов и эволюции Вселенной - задача физ. К., учитывающей влияние сил тяготения на динамику вещества.       ( по материаламhttp://www.astronet.ru  )