Статьи по теме Космология

Космологией называется область астрономии, которая изучает происхождение и развитие Вселенной в целом. С точки зрения космологии Вселенная представляет собой систему с особыми свойствами.

История становления космологии

О происхождении и эволюции Вселенной люди начали задумываться ещё в глубокой древности. Первоначально люди объясняли процесс сотворения наблюдаемого мира действием сверхъестественных сил — богов. Эпоха Возрождения и буржуазные революции привели к значительному уменьшению влияния религии на мировоззренческие взгляды людей. Последние пять веков ученые стараются объяснить процесс эволюции Вселенной с помощью естественных законов физики, химии и т. д.

Одна из первых версий строения мира — плоская земля, которая покоится на трех китах и черепахе

Изначально в древние времена люди знали очень ограниченный список астрономических объектов: Земля, Луна, 5 планет Солнечной Системы и т.н. “неподвижные” звезды. Наблюдаемое движение Солнца, Луны и планет по земному небу привело к ошибочному мнению, что Земля является центром Солнечной Системы и всей Вселенной. Подобная мировоззренческая система получила название геоцентрическая система мира. Лишь более тщательные наблюдения за движением небесных тел в дальнейшем позволили выяснить, что центром Солнечной Системы является Солнце, а вокруг Земли вращается только Луна. Подобная система называется гелиоцентрической. Насчет же звезд первоначально существовало несколько мнений: от отверстий в небесной сфере до очень далеких солнц (последний вариант в гелиоцентрической системе объяснялся отсутствием параллактического смещения по причине орбитального движения Земли вокруг Солнца).

Геоцентрическая система

Изобретение телескопа позволило радикально увеличить познавательные способности в изучении Вселенной. Даже небольшие телескопы показали, что число звезд на небе исчисляется многими миллионами. К середине 19 века телескопические наблюдения позволили впервые определить истинное (тригонометрическое) расстояние до ближайших звезд. В дальнейшем была создана шкала измерения расстояния до ещё более далеких объектов (на основе наблюдения особого типа переменных звезд — цефеид и измерения красного смещения спектров астрономических объектов). Особенно примечательным оказался последний момент. Как известно, доплеровское смещение спектров астрономических объектов бывает двух видов: смещение к синей или красной части спектров. Однако спектроскопия удаленных объектов (преимущественно туманностей - далеких галактик) показала, что в спектрах преобладает смещение к красной части спектров. Этот факт стал ярким доказательством того, что наша Вселенная расширяется — расстояние между сверхскоплениями галактик постепенно увеличивается, несмотря на силы гравитационного притяжения и потери энергии по причине излучения гравитационных волн.

Развитие космологии в последние десятилетия

Основные современные направления развития космологии связаны с несколькими пунктами:

Структура Вселенной в общем

- наблюдение в ближнем инфракрасном диапазоне (спектр излучения наиболее далеких объектов в видимой части нашей Вселенной смещен к ИК-диапазону). Подобные наблюдения позволяют изучать самые первые звезды и галактики Вселенной. С другой стороны набирает популярность использование “природных” телескопов. Речь идет о наблюдениях далеких гравитационных линз. Искривление гравитационных полей массивных скоплений галактик позволяет увеличивать фоновые изображения очень далеких и слабых объектов – первых звезд и галактик. Подобные наблюдения уже позволили наблюдать очень далекие сверхновые и даже обычные звезды.

- регистрация реликтового (реликт.) излучения в субмиллиметровом диапазоне электромагнитного спектра. Подобное излучение является остаточным следом момента, когда первичное вещество Вселенной стало прозрачным для электромагнитного излучения. Наблюдение реликтового излучения позволяет изучить Вселенную с возрастом примерно в 370 тысяч лет после момента Большого взрыва.

- в ближайшем будущем ожидается регистрация других экзотических излучений, которые позволят изучить ещё более молодую нашу Вселенную. Речь идет о нейтринном и гравитационно-волновом реликтовом излучениях. Это связано с тем, что проникающая способность нейтрино и гравитационных волн гораздо больше, чем у электромагнитного излучения. Первое излучение рождается во Вселенной возрастом около одной секунды, второе излучение появляется во Вселенной, возраст которой составляет всего 10 в -43 степени секунд.

- в конце 20 века было открыто важное космологическое свойство Вселенной: ускоренное расширение. Подобное явление было обнаружено через изучение сверхновых первого типа, которые являются одними из самых точных индикаторов расстояний до далеких галактик. Открытие ускоренного расширения Вселенной стало доказательством того, что наблюдаемая Вселенная примерно на 75% состоит из темной энергии.

Эволюция Вселенной после рождения

- в настоящее время набирает обороты картографирование Вселенной в наиболее крупных масштабах. Как известно, в целом, Вселенная является пенообразной структурой с ячейками, размер каждой из которых достигает несколько сотен миллионов парсек. Каждая из ячеек представляет собой огромную пустоту, где не наблюдаются крупные галактики. В тоже время границами ячеек являются огромные сверхскопления галактик. Картографирование Вселенной осуществляется, как с помощью спектроскопических обзоров миллионов галактик, так и другими методами (определение расстояния до гамма-всплесков с помощью измерения красного смещения их оптического послесвечения или каталогизация галактик с наиболее активными ядрами - квазаров). В последние годы набирает популярность ещё один метод — тщательное картографирование реликтового излучения. Изучение неоднородностей распределения вещества в молодой и современной Вселенной позволяет понять нюансы эволюции Вселенной. Особое место в процессе картографирования Вселенной занимает поиск “скрытой” массы – т.н. темной материи. Вплоть до настоящего времени остаётся загадкой, что представляет собой подобная материя. Так самые тщательные поиски на земных детекторах элементарных частиц не смогли обнаружить возможные неизвестные элементарные частицы-кандидаты в темную материю.

Неоднородности в реликтовом излучении электромагнитных волн по данным разных обзоров

- рост вычислительных мощностей суперкомпьютеров позволяет улучшать возможности моделирования рождения и эволюции Вселенной. Сравнение наблюдаемой и смоделированной картины развития Вселенной помогает в поисках проблемных мест в теоретической базе космологии.

Карты неба относительно галактической плоскости на различных длинах волн электромагнитного спектра (ЭМС)

В диапазоне ЭМС с длинами волн от половины одного миллиметра наиболее заметными объектами является свечение от спиральных рукавов нашей галактики и зодиакального света (в последнем случае, это линия, пересекающая все небо, которая лучше всего заметна на длине волны в 2.5 сантиметров). На длинах волн ЭМС в несколько миллиметров хорошо заметно фоновое излучение, которое светит на всём небе. Это и есть реликтовое излучение.

Основные тезисы космологии

Основное положение космологии — это утверждение, что наша Вселенная представляет собой расширяющийся мир диаметром в несколько десятков миллиардов световых лет, состоящий из нескольких триллионов галактик разного размера. Скорость расширения Вселенной можно описать с помощью закона Хаббла:

υ=Hr, где Н – постоянная Хаббла, υ — скорость галактики, а r – это расстояние до галактики.

Интерполяция расширения Вселенной приводит к пониманию того, что около 13.7 миллиардов лет назад Вселенная являлась точечным объектом — сгустком первичной материи и энергии. Рождение Вселенной объясняется концепцией Большого взрыва. На основе теоретических расчетов до появления первых звезд во Вселенной химический состав Вселенной на ¾ представлял собой водород, а на ¼ гелий.

Основы теории Большого взрыва

Большим взрывом называется космологическая модель, описывающая начало эволюции Вселенной, перед которым Вселенная находилась в состоянии сингулярности. Остаточным излучением Большого взрыва является реликтовое излучение (в электромагнитном или гравитационно-волновом диапазоне, а также реликтовое нейтринное излучение).

Что изучает космология

Основными объектами изучения космологии являются первые звезды и галактики, реликтовое излучение (электромагнитное, гравитационно-волновое и нейтринное) и вспышки далеких сверхновых.

Проблемные места теории Большого взрыва

Основными проблемами теории Большого взрыва являются следующие вопросы:

- Почему Вселенная начала расширяться?

- Из чего состояла Вселенная до начала расширения?

Дополнительными проблемами в космологии является прогнозирование будущего Вселенной. Существует несколько вариантов будущего Вселенной: от бесконечного расширения (теория «большого разрыва») до смены расширения на сжатие (с последующим новым Большим взрывом — теория циклической эволюции Вселенной).

Схематичная иллюстрация возможного будущего Вселенной — теории «Большого разрыва»

В настоящее время появилась ещё одна проблема: значительное несоответствие оценок постоянной Хаббла, полученной двумя разными способами (через анализ данных обзора реликтового излучения космическим аппаратом «Планк» и измерение расстояния до внегалактических цефеид).

Схематичная иллюстрация возможной циклической эволюции Вселенной

Отличия астрономии от космологии

Хотя астрономы и космологи изучают одну и ту же Вселенную, тем не менее, между их областями изучения существует главное отличие. Это отличие заключается в том, что астрономия в основном изучает конкретные небесные тела (астероиды, планеты, звезды и галактики), в то время как космология изучает Вселенную как одну неделимую систему.