Расширение Вселенной

Совокупность наблюдаемых галактик всех типов и их скоплений, квазаров, межгалактической среды образует Вселенную.

Одно из важнейших свойств Вселенной - ее постоянное расширение, «разлет» скоплений галактик, о чем свидетельствует красное смещение в спектрах галактик. Вселенная находится в состоянии приблизительно однородного и изотропного расширения. Однородность означает одинаковость всех свойств материи всюду в пространстве, а изотропия - одинаковость этих свойств в любом направлении. Однородность свидетельствует об отсутствии выделенных областей пространства, а изотропия - об отсутствии выделенного направления. Предположение об однородности и изотропии Вселенной называют космологическим принципом.

Гипотезу о расширении Вселенной на основе общей теории тяготения А. Эйнштейна и строгих расчетов выдвинул в 1922 г. русский ученый Александр Александрович Фридман. Расчеты показали, что Вселенная не может быть стационарной; в зависимости от средней плотности вещества во Вселенной она должна либо расширяться, либо сжиматься. Нестационарная модель Вселенной утвердилась в науке лишь после того, как Э. Хаббл обнаружил разбегание галактик.

Из расчетов Фридмана вытекали три возможных следствия:

  1. Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;
  2. Вселенная через определенное время начнет сжиматься;
  3. во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

Возникает вопрос: какой из трех вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответить на него предстоит наблюдательной астрономии, которая должна оценить современную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла. Почему важно уточнение этих двух постоянных величин?

При создании модели расширяющейся Вселенной было показано, что существует некоторое значение критической плотности \(ρ_{кр}\) Вселенной, определяемое по формуле: \[ρ_{кр} = \frac{3H^{2}}{8πG},\] где \(G\) - гравитационная постоянная, \(H\) - постоянная Хаббла. Расчеты по данной формуле дают, что \(ρ_{кр}\) = 10-26 кг/м3. По современным оценкам, плотность вещества Вселенной близка к критическому значению: она либо немного больше, либо немного меньше (не решен окончательно вопрос об учете межгалактического газа и «скрытой массы»). Если фактическая средняя плотность вещества во Вселенной больше критической, то в будущем расширение Вселенной должно смениться ее сжатием. Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической, то расширение продолжится.

Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Определено, что оно не меньше 10 млрд и не более 19 млрд лет. Наиболее вероятное значение среднего возраста Вселенной - около 15 млрд лет. Эта величина не противоречит оценкам возраста наиболее старых звезд.

Читать далее