Космология (от космос и...логия) - это физическое учение о Вселенной как целом, основанное на результатах исследования наиболее общих свойств той части Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений.
Теоретический фундамент космологии составляют основные физические теории (общая теория относительности, теория поля и др.) и внегалактическая астрономия. Общие выводы космологии имеют важное общенаучное и философское значение. В современной космологии наиболее распространена модель горячей Вселенной, согласно которой в расширяющейся Вселенной на ранней стадии развития вещество и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение привело к их постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем протогалактик, галактик, звезд и других космических тел.
К важнейшим, еще не решенным проблемам космологии относятся проблемы начального сверхплотного состояния Вселенной, так называемой сингулярности, и конечной фазы ее существования - возможности возвращения в состояние сингулярности.
10.1. Закон всеобщего разбегания галактик
Согласно современной модели происхождения Вселенной наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и галактики сформировались из материи, разбросанной взрывом. При этом те из них, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном согласии с законом Хаббла (2).
Закон Хаббла (2) утверждает, что галактики имеют положительные скорости, пропорциональные их расстояниям, и приводит к выводу, что некогда в прошлом все галактики, или куски материи, из которых они сформировались, вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объема.
Так как все обозреваемое пространство Вселенной заполнено галактиками, то закон Хаббла можно трактовать как общее расширение наблюдаемой области Вселенной – расширение Метагалактики. Можно даже считать, что происходит равномерное и изотропное, т.е. одинаковое во всех точках и во всех направлениях, расширение пространства, влекущее удаление друг от друга тел в нем находящихся.
Удаление галактик по всем направлениям от земного наблюдателя вовсе не означает, что Земля или, лучше сказать, наша Галактика занимает центральное положение во Вселенной, в Метагалактике. Если представить себе сплошной резиновый шар, который мы равномерно растягиваем по всем направлениям, то в какой бы точке этого шара ни находился наблюдатель, в центральной или любой иной, ему будет казаться, что все остальные точки шара от него удаляются, причем удаляются со скоростями, пропорциональными их расстояниям.
Общую картину движения галактик можно представить так: все пространство Метагалактики изотропно расширяется и увлекает с собой находящиеся в нем галактики. В то же время каждая галактика имеет еще индивидуальное движение, направление которого может быть любое – и от нас, и к нам, и в любую другую сторону.
Именно благодаря индивидуальным движениям спектры некоторых из самых близких галактик смещены не в красную, а в фиолетовую сторону, т. е. эти галактики к нам приближаются. У близких галактик удаление, вызванное расширением пространства, мало вследствие сравнительной малости расстояния, и эта скорость вполне может быть перекрыта индивидуальной скоростью, если последняя направлена к нам. У далеких же галактик скорость удаления, вызываемая расширением пространства, настолько велика, что влияние индивидуальной скорости становится незаметным.
Величины красных смещений спектров указывают на очень большие скорости слабых далеких галактик и квазаров. Скорости галактик и квазаров на основании теории относительности определяются из соотношений
где V – скорость удаления галактики или квазара,
с – скорость света равная 300000 км/с,
- длина волны излучения звезды, приходящая к наблюдателю на Земле,
- длина волны, излучаемая звездой.
По мере усовершенствования наблюдательной техники становится доступным измерение красных смещений спектров у все более слабых объектов. Список спектров, у которых
уже стал обширным, а самое большое обнаруженное красное смещение спектра соответствует значению равному 3,4. Согласно формуле (3) это означает скорость удаления объекта 270000 км/с.
Стало очевидным, что закон разбегания во все стороны галактик является универсальным, всеобщим законом. Происходит расширение, экспансия всей Вселенной в целом.
10.2. Расширение Вселенной. Модель Вселенной
Теория расширения Вселенной, заложенная Эйнштейном, опирается на два главных наблюдаемых явления. Первое из них состоит в том, что галактики и их скопления сравнительно равномерно распределены по небу. Второе важное наблюдаемое явление – закон разбегания во все стороны галактик со скоростями, пропорциональными их расстояниям. Сопоставление этих наблюдение привело ученых к заключению, что Вселенная подобна однородному расширяющемуся шару.
Каковы закономерности эволюции этого расширяющегося шара, в котором галактики и их скопления притягивают друг друга согласно закону всемирного тяготения? Что ждет Вселенную в будущем? Будет ли она безгранично расширяться, или взаимное тяготение отдельных ее частей, замедлив и остановив расширение, заставит Вселенную затем сжиматься?
Из того, что взаимное тяготение отдельных частей Вселенной замедляет ее расширение, следует, что расширение в прошлом происходило быстрее. При этом процесс зависит средней плотности материи во Вселенной. Чем плотность материи больше, тем сильнее замедление скорости и тем больше замедление расширение Вселенной.
Если при данной скорости расширения плотность материи в шаре достаточно велика, то гравитационные силы будут в состоянии остановить расширение и сменить его сжатием. Если же плотность материи мала и гравитационные силы, следовательно, слабы, процесс экспансии никогда не прекратится, Вселенная будет расширяться безгранично и средняя плотность материи в ней будет стремиться к нулю.
Очевидно существует некоторое критическое значение средней плотности материи – р0. Если средняя плотность материи во Вселенной больше р0, то в будущем расширение Вселенной прекратиться и сменится сжатием, а гравитация материи будет замыкать пространство на себя. Не существует пространства вне расширяющегося объема, содержащего материю. Такую Вселенную принято назвать закрытой.
Если же плотность равна р0 или меньше его, то экспансия Вселенной будет продолжаться безгранично. Такую Вселенную принято назвать открытой.
В какой же Вселенной мы живем? В открытой или закрытой?
Оценка средней плотности материи во Вселенной одна из наиболее трудных задач. До последнего времени оценка, которые удается сделать, приводят к величинам, лежащим в пределах от 2*10-31 до 5*10-31 г/см3. Значение р0 астрономами оценивается равное 8*10-30 г/см3. Из этого следует, что Вселенная бесконечно расширяется, является открытой.
Заключение
Российские астрономы проводят наблюдения на многих телескопах России, ближнего и дальнего зарубежья: на 6-метровом оптическом телескопе и на 600-метровом радиотелескопе Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук, на телескопах Пулковской и Крымской обсерваторий, а также на некоторых крупных телескопах во Франции, Испании и даже на Гавайских островах.
Современная астрономия изучает самые разнообразные объекты - от близких к нам планет и их спутников до далеких галактик, квазаров и скоплений галактик. Вот некоторые их основных тем, над которыми работают российские ученые:
¨ фрактальная структура Вселенной;
¨ галактики на сверхбольших расстояниях;
¨ наблюдения галактик с активными ядрами;
¨ теория образования галактик;
¨ скрытая масса в галактиках;
¨ исследование спиральной структуры нашей Галактики;
¨ обработка сверхточных данных о положениях звезд со спутника;
¨ процессы взаимодействия излучения и вещества в различных космических объектах;
¨ наблюдения рентгеновских источников;
¨ синтез химических элементов в звездах;
¨ изучение звезд с протопланетными системами;
¨ новые математические методы обработки астрономических наблюдений;
¨ расчет конструкции и оптики телескопов.
Литература
1. П. Ходж. Галактики. Москва, Наука, 1992 г.
2. Т.А. Агекян. Звезды, галактики, Метагалактика. Москва, Наука, 3-е издание, 1981 г.
3. В.Г. Горбацский. Космические взрывы. Москва, Наука, 3-е издание, 1979 г.
4. А.В. Засов, Э.В. Кононович. Астрономия. Москва, Просвещение, 1993 г.
5. Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия. www.km.ru.
6. Астрономический сайт. www.m31.ru.