Velký vesmír online magazín. Vědci dokázali, že vesmír by se nemohl zrodit bez velkého třesku. Éra před rekombinací

Na okraji světa

Co je Velký vesmír

Objekty obývající velký vesmír

Jaký prostor velkého vesmíru

putující planety

Mezigalaktický prostor

Vznik malého vesmíru

Teorie velkého třesku vesmíru

kvasary

Cestování do velkého vesmíru je nemožné

Rozsáhlá struktura vesmíru, jak se jeví v infračervené oblasti 2,2 µm - 1 600 000 galaxií zaznamenaných v katalogu rozšířených zdrojů jako výsledek průzkumu dvou mikronů All-Sky Survey. Jas galaxií je zobrazen v barvě od modré (nejjasnější) po červenou (slabší). Tmavý pruh podél úhlopříčky a okrajů obrázku je umístění Mléčné dráhy, jejíž prach narušuje pozorování

Vesmír je pojem v astronomii a filozofii, který nemá striktní definici. Dělí se na dvě zásadně odlišné entity: spekulativní(filosofické) a materiál pozorovatelné v současnosti nebo v dohledné budoucnosti. Pokud autor rozlišuje mezi těmito entitami, pak se podle tradice první nazývá Vesmír a druhá astronomický Vesmír nebo Metagalaxie (v poslední době tento termín prakticky vypadl). Vesmír je předmětem studia kosmologie.

Historicky se pro označení „veškerého prostoru“ používala různá slova, včetně ekvivalentů a variant z různých jazyků, jako je „kosmos“, „svět“, „nebeská sféra“. Byl také použit termín „makrokosmos“, i když je určen k definování rozsáhlých systémů, včetně jejich subsystémů a částí. Stejně tak se slovo mikrokosmos používá k označení malých systémů.

Jakýkoli výzkum, jakékoli pozorování, ať už je to fyzik pozorující, jak se štěpí jádro atomu, dítě pozorující kočku nebo astronom pozorující vzdálenou planetu – to vše je pozorování Vesmíru, respektive jeho jednotlivých částí. Tyto části slouží jako předmět studia jednotlivých věd a Vesmír v největším možném měřítku a dokonce i Vesmír jako jediný celek je zkoumán astronomií a kosmologií; Vesmír je v tomto případě chápán buď jako oblast světa pokrytá pozorováním a vesmírnými experimenty, nebo jako objekt kosmologických extrapolací – fyzický Vesmír jako celek.

Předmětem článku jsou poznatky o pozorovatelném vesmíru jako jediném celku: pozorování, jejich teoretická interpretace a historie vzniku.

Mezi jasně interpretovatelná fakta týkající se vlastností vesmíru zde uvádíme následující:

Teoretická vysvětlení a popisy těchto jevů jsou založeny na kosmologickém principu, jehož podstatou je, že pozorovatelé bez ohledu na místo a směr pozorování v průměru detekují stejný obraz. Samotné teorie se snaží původ vysvětlit a popsat chemické prvky, průběh vývoje a důvod expanze, vznik rozsáhlé struktury.

První významný posun směrem k moderním představám o vesmíru učinil Koperník. Druhý největší příspěvek přinesli Kepler a Newton. Ale skutečně revoluční změny v našich představách o vesmíru nastávají až ve 20. století.

Etymologie

V ruštině je slovo „vesmír“ výpůjčkou ze staroslověnského „vselena“, což je kalk starověkého řeckého slova „oikoumene“ (starořecky οἰκουμένη), ze slovesa οἰκέω „obývám, obývám“ a v. první význam to znamenalo pouze obydlenou část světa. Proto ruské slovo „vesmír“ souvisí s podstatným jménem „vseleniya“ a je v souladu pouze s atributivním zájmenem „vše“. Nejběžnější definice pro „vesmír“ mezi starověkými řeckými filozofy, počínaje Pythagorejci, byla τὸ πᾶν (vše), která zahrnovala jak veškerou hmotu (τὸ ὅλον), tak celý vesmír (τὸ κενόν).

Tvar vesmíru

Tím, že představujeme vesmír jako celý okolní svět, okamžitě jej činíme jedinečným a jedinečným. A zároveň se ochuzujeme o možnost popsat jej v termínech klasické mechaniky: Vesmír pro svou jedinečnost nemůže s ničím interagovat, je to systém systémů, a proto v jeho vztahu takové pojmy jako hmotnost, tvar, velikost ztrácí svůj význam. Místo toho se musíme uchýlit k jazyku termodynamiky a používat pojmy jako hustota, tlak, teplota a chemické složení.

Expanze vesmíru

Vesmír se však jen málo podobá běžnému plynu. Již v těch největších měřítcích čelíme expanzi Vesmíru a reliktnímu pozadí. Povahou prvního jevu je gravitační interakce všech existujících objektů. Právě jeho vývoj určuje budoucnost vesmíru. Druhý jev je dědictvím raných epoch, kdy světlo horkého velkého třesku prakticky přestalo interagovat s hmotou a oddělilo se od ní. Nyní, v důsledku expanze vesmíru, se většina tehdy emitovaných fotonů přesunula z viditelné oblasti do oblasti mikrovlnného rádia.

Hierarchie vah ve vesmíru

Při přechodu na měřítka menší než 100 Mpc se odhalí jasná buněčná struktura. Uvnitř buněk je prázdnota – prázdnoty. A stěny jsou tvořeny superkupami galaxií. Tyto superkupy jsou nejvyšší úrovní celé hierarchie, dále jsou to kupy galaxií, pak místní skupiny galaxií a nejnižší úroveň (měřítko 5-200 kpc) je obrovská škála velmi odlišných objektů. Samozřejmě jsou to všechny galaxie, ale všechny jsou jiné: jsou čočkovité, nepravidelné, eliptické, spirální, s polárními prstenci, s aktivními jádry atd.

Z nich stojí za zmínku samostatně, které se vyznačují velmi vysokou svítivostí a tak malou úhlovou velikostí, že několik let po svém objevu je nebylo možné odlišit od „bodových zdrojů“ -. Bolometrická svítivost kvasarů může dosahovat 10 46 - 10 47 erg/s.

Když přejdeme ke složení galaxie, najdeme: temnou hmotu, kosmické záření, mezihvězdný plyn, kulové hvězdokupy, otevřené hvězdokupy, dvojité hvězdy, větší hvězdné systémy, supermasivní černé díry a černé díry s hvězdnou hmotností a nakonec jednotlivé hvězdy různých populace.

Jejich individuální vývoj a vzájemná interakce dává vzniknout mnoha jevům. Předpokládá se tedy, že zdrojem energie pro již zmíněné kvasary je akrece mezihvězdného plynu na supermasivní centrální černou díru.

Samostatně stojí za zmínku o záblescích gama - jedná se o náhlá krátkodobá lokalizovaná zvýšení intenzity kosmického záření gama o energii desítek a stovek keV. Z odhadů vzdáleností k zábleskům gama můžeme usoudit, že jimi vyzařovaná energie v oblasti gama záření dosahuje 10 50 erg. Pro srovnání, svítivost celé galaxie ve stejném rozsahu je „jen“ 10 38 erg/s. Takové jasné záblesky jsou viditelné z nejvzdálenějších koutů vesmíru, takže GRB 090423 má červený posuv z = 8,2.

Nejsložitějším komplexem, který zahrnuje mnoho procesů, je vývoj galaxie:

Průběh evoluce jen málo závisí na tom, co se stane s celou galaxií jako celkem. Celkový počet nově vzniklých hvězd a jejich parametry však podléhají značnému vnějšímu vlivu. Procesy, jejichž měřítka jsou srovnatelná resp větší velikost galaxií, mění morfologickou strukturu, rychlost tvorby hvězd, a tedy i rychlost chemické evoluce, spektrum galaxie a tak dále.

Pozorování

Výše popsaná rozmanitost vyvolává celou řadu pozorovacích problémů. Do jedné skupiny lze zařadit studium jednotlivých jevů a předmětů, a to:

Fenomén expanze. A k tomu je potřeba měřit vzdálenosti a červený posuv co nejvzdálenějších objektů. Při bližším zkoumání z toho vyplývá celý soubor problémů, kterým se říká měřítko vzdálenosti.
Relikvie pozadí.
Jednotlivé vzdálené objekty, jako jsou kvasary a gama záblesky.

Vzdálené a staré objekty vyzařují málo světla a vyžadují obří dalekohledy, jako je Keck Observatory, VLT, BTA, Hubble a E-ELT a James Webb ve výstavbě. K dokončení prvního úkolu jsou navíc potřeba specializované nástroje, jako je Hipparcos a aktuálně vyvíjená Gaia.

Jak již bylo řečeno, záření CMB leží v rozsahu mikrovlnných vlnových délek, proto jsou k jeho studiu zapotřebí rádiová pozorování a nejlépe vesmírné dalekohledy jako WMAP a Planck.

Jedinečné vlastnosti gama záblesků vyžadují nejen laboratoře gama záření na oběžné dráze, jako je SWIFT, ale také neobvyklé dalekohledy – robotické dalekohledy – jejichž zorné pole je větší než u výše zmíněných přístrojů SDSS a schopné automatického pozorování. Příkladem takových systémů jsou dalekohledy ruské sítě Master a rusko-italský projekt Tortora.

Předchozí úkoly jsou práce na jednotlivých objektech. Zcela jiný přístup je vyžadován pro:

Studium struktury vesmíru ve velkém měřítku.
Studium vývoje galaxií a jeho dílčích procesů. Je tedy potřeba pozorování objektů co nejstarších a v co největším počtu. Na jedné straně jsou zapotřebí masivní průzkumná pozorování. To si vynucuje použití širokoúhlých dalekohledů, jako jsou ty v projektu SDSS. Na druhou stranu je vyžadován detail, který je řádově větší než potřeby většiny úkolů předchozí skupiny. A to je možné pouze s pomocí pozorování VLBI, se základnou v průměru nebo dokonce větším, jako je experiment Radioastron.

Samostatně stojí za to zdůraznit hledání reliktních neutrin. K jeho vyřešení je nutné použít speciální dalekohledy – neutrinové teleskopy a detektory neutrin – např. Baksanův neutrinový dalekohled, Bajkalský podvodní dalekohled, IceCube, KATRIN.

Jedna studie gama záblesků a reliktního pozadí ukazuje, že zde nelze použít pouze optickou část spektra. Zemská atmosféra má však pouze dvě okna průhlednosti: v rádiovém a optickém dosahu, a proto se bez vesmírných observatoří neobejde. Z těch, které v současnosti fungují, uvedeme jako příklady Chandra, Integral, XMM-Newton a Herschel. Ve vývoji jsou Spektr-UV, IXO, Spektr-RG, Astrosat a mnoho dalších.

Měřítko vzdálenosti a kosmologický červený posuv

Měření vzdálenosti v astronomii je vícestupňový proces. A hlavním problémem je, že nejlepší přesnosti v různých metodách jsou dosaženy v různých měřítcích. Proto se k měření stále vzdálenějších objektů používá stále delší řetězec metod, z nichž každá vychází z výsledků předchozí.

Všechny tyto řetězce jsou založeny na metodě trigonometrické paralaxy - základní, jediné, kde se vzdálenost měří geometricky, s minimálním využitím předpokladů a empirických zákonů. Jiné metody většinou používají k měření vzdálenosti standardní svíčku – zdroj se známou svítivostí. A vzdálenost k němu lze vypočítat:

kde D je požadovaná vzdálenost, L je svítivost a F je naměřený světelný tok.

Schéma výskytu roční paralaxy

Paralaxa je úhel vyplývající z projekce zdroje na nebeskou sféru. Existují dva typy paralaxy: roční a skupinová.

Roční paralaxa je úhel, pod kterým by byl průměrný poloměr oběžné dráhy Země viditelný ze středu hmoty hvězdy. Vlivem pohybu Země po její oběžné dráze se zdánlivá poloha jakékoli hvězdy na nebeské sféře neustále posouvá - hvězda popisuje elipsu, jejíž hlavní poloosa se rovná roční paralaxe. Podle známé paralaxy ze zákonů euklidovské geometrie lze vzdálenost od středu zemské oběžné dráhy ke hvězdě nalézt jako:

kde D je požadovaná vzdálenost, R je poloměr zemské oběžné dráhy a přibližná rovnost je zapsána pro malý úhel (v radiánech). Tento vzorec jasně ukazuje hlavní obtížnost této metody: s rostoucí vzdáleností klesá hodnota paralaxy podél hyperboly, a proto je měření vzdáleností ke vzdáleným hvězdám spojeno se značnými technickými obtížemi.

Podstata skupinové paralaxy je následující: pokud má určitá hvězdokupa znatelnou rychlost vzhledem k Zemi, pak se podle zákonů projekce zdánlivé směry pohybu jejích členů sblíží v jednom bodě, který se nazývá radiant shluk. Poloha radiantu je určena z vlastních pohybů hvězd a posunu jejich spektrálních čar vyplývajících z Dopplerova jevu. Potom se vzdálenost ke shluku zjistí z následujícího vztahu:

kde μ a V r jsou úhlová (v úhlových sekundách za rok) a radiální (v km/s) rychlost hvězdokupy, λ je úhel mezi přímkami – hvězda a zářivá hvězda a D je vzdálenost , vyjádřeno v parsekech. Znatelnou skupinovou paralaxu mají pouze Hyády, ale až do vypuštění družice Hipparcos je to jediný způsob, jak kalibrovat měřítko vzdálenosti pro staré objekty.

Metoda určování vzdálenosti od hvězd cefeid a RR Lyrae

Na cefeidách a hvězdách RR Lyrae se jednotná stupnice vzdálenosti rozchází do dvou větví - stupnice vzdálenosti pro mladé objekty a pro staré. Cefeidy se nacházejí hlavně v oblastech nedávného vzniku hvězd a jsou to tedy mladé objekty. typu RR Lyrae tíhnou ke starým systémům, například je jich zvláště mnoho v kulových hvězdokupách v halu naší Galaxie.

Oba typy hvězd jsou proměnné, ale zatímco cefeidy jsou nově vzniklé objekty, hvězdy RR Lyrae opustily hlavní posloupnost – obři spektrálních tříd A-F, nacházející se převážně na horizontální větvi diagramu barev a magnitudy pro kulové hvězdokupy. Způsoby, jak je použít jako standardní svíčky, se však liší:

Určení vzdáleností pomocí této metody je spojeno s řadou obtíží:

Je nutné vybrat jednotlivé hvězdy. V Mléčné dráze to není nijak zvlášť obtížné, ale čím větší je vzdálenost, tím menší je úhel mezi hvězdami.

Je nutné vzít v úvahu absorpci světla prachem a heterogenitu jeho rozložení v prostoru.

U cefeid navíc zůstává vážným problémem přesné určení nulového bodu vztahu periody pulzace a svítivosti. V průběhu 20. století se jeho význam neustále měnil, což znamená, že se měnil i takto získaný odhad vzdálenosti. Svítivost hvězd RR Lyrae, i když je téměř konstantní, stále závisí na koncentraci těžkých prvků.

Metoda pro určení vzdálenosti od supernov typu Ia:

Světelné křivky různých supernov.

Kolosální výbušný proces probíhající v celém těle hvězdy s uvolněnou energií v rozmezí 10 50 - 10 51 erg. Supernovy typu Ia mají také stejnou svítivost při maximální jasnosti. Společně to umožňuje měřit vzdálenosti k velmi vzdáleným galaxiím.

Právě díky nim v roce 1998 dvě skupiny pozorovatelů objevily zrychlení rozpínání vesmíru. Dnes je fakt zrychlení téměř nepochybný, nicméně ze supernov nelze jednoznačně určit jeho velikost: chyby jsou pro velké z stále extrémně velké.

Obvykle, kromě těch, které jsou společné všem fotometrickým metodám, nevýhody a otevřené problémy zahrnují:

Problém K-korekce. Podstatou tohoto problému je, že se neměří bollometrická intenzita (integrovaná v celém spektru), ale v určitém spektrálním rozsahu přijímače. To znamená, že u zdrojů s různým červeným posuvem se intenzita měří v různých spektrálních rozsazích. Aby byl tento rozdíl zohledněn, je zavedena speciální korekce, nazývaná K-korekce.

Tvar křivky vzdálenosti versus červený posuv je měřen různými observatořemi na různých přístrojích, což vytváří problémy s kalibrací toku atd.

Dříve se věřilo, že všechny supernovy Ia jsou ty, které explodují v těsném binárním systému, kde je druhá složka. Objevily se však důkazy, že alespoň některé z nich mohou vzniknout sloučením dvou bílých trpaslíků, což znamená, že tato podtřída již není vhodná pro použití jako standardní svíčka.

Závislost svítivosti supernovy na chemickém složení hvězdy předchůdce.

Geometrie gravitační čočky:

Geometrie gravitační čočky

Při průchodu kolem masivního tělesa se paprsek světla odkloní. Masivní těleso je tedy schopno sbírat paralelní paprsek světla v určitém ohnisku, vytvářet obraz a může jich být několik. Tento jev se nazývá gravitační čočka. Pokud je čočkovaný objekt proměnný a je pozorováno několik jeho snímků, otevírá se tím možnost měření vzdáleností, protože mezi snímky budou různé časové prodlevy v důsledku šíření paprsků v různých částech gravitačního pole čočky ( efekt podobný efektu Shapiro v ).

If, jako charakteristické měřítko pro souřadnice obrazu ξ a zdroj η (viz obrázek) v odpovídajících rovinách vzít ξ 0 =D já a η 0 =ξ 0 D s/ D l (kde D- úhlová vzdálenost), pak můžete zaznamenat časovou prodlevu mezi počtem snímků i A j následujícím způsobem:

Kde X=ξ /ξ 0 a y=η /η 0 - úhlové polohy zdroje a obrazu, resp. S- rychlost světla, z l je červený posuv čočky a ψ - potenciál odchylky v závislosti na volbě modelu. Předpokládá se, že ve většině případů je skutečný potenciál čočky dobře aproximován modelem, ve kterém je hmota rozložena radiálně symetricky a potenciál se stáčí do nekonečna. Pak je doba zpoždění určena vzorcem:

V praxi je však citlivost metody na typ galaktického halo potenciálu významná. Tedy naměřená hodnota H 0 pro galaxii SBS 1520+530 se v závislosti na modelu pohybuje od 46 do 72 km/(s Mpc).

Metoda pro určení vzdálenosti od červených obrů:

Nejjasnější červení obři mají stejnou absolutní magnitudu -3,0 m ±0,2 m, což znamená, že jsou vhodní pro roli standardních svíček. Sandage byl první, kdo objevil tento efekt pozorováním v roce 1971. Předpokládá se, že tyto hvězdy jsou buď na vrcholu prvního vzestupu větve rudého obra nízkohmotných (méně než slunečních) hvězd, nebo leží na asymptotické obří větvi.

Hlavní výhodou metody je, že rudí obři se nacházejí daleko od oblastí tvorby hvězd a vysokých koncentrací prachu, což značně usnadňuje účtování absorpce. Jejich svítivost také extrémně slabě závisí na metalicitě jak samotných hvězd, tak jejich prostředí. Hlavním problémem této metody je identifikace červených obrů z pozorování složení hvězd v galaxii. Existují dva způsoby, jak to vyřešit:

• Classic - metoda zvýraznění okrajů obrázků. V tomto případě se obvykle používá Sobelův filtr. Začátek selhání je kýžený bod obratu. Někdy se místo Sobelova filtru bere jako aproximační funkce Gaussian a funkce výběru hran závisí na chybách fotometrického pozorování. Se slábnutím hvězdy však klesají i chyby metody. Díky tomu je maximální naměřená jasnost o dvě magnitudy horší, než dovoluje výbava.

Hlavním problémem je v některých případech divergence řad vyplývající z metody maximální věrohodnosti.

Problémy a současné diskuse:

Jedním z problémů je nejistota hodnoty Hubbleovy konstanty a její izotropie. Jedna skupina výzkumníků tvrdí, že hodnota Hubbleovy konstanty kolísá na stupnici 10-20°. Existuje několik možných příčin tohoto jevu:

Skutečný fyzikální efekt – v tomto případě musí být kosmologický model radikálně revidován;
Standardní postup průměrování chyb je nesprávný. To také vede k revizi kosmologického modelu, ale možná ne tak významné. Na druhé straně, mnoho dalších průzkumů a jejich teoretická interpretace neukazuje anizotropii přesahující tu lokálně způsobenou růstem nehomogenity, která zahrnuje naši Galaxii, v celkově izotropním vesmíru.

CMB spektrum

Informace, které lze získat pozorováním CMB, jsou velmi rozmanité: samotná skutečnost existence CMB je pozoruhodná. Pokud Vesmír existoval věčně, pak je důvod jeho existence nejasný – nepozorujeme masové zdroje schopné vytvořit takové pozadí. Je-li však doba života Vesmíru konečná, pak je zřejmé, že důvod jeho vzniku spočívá v počátečních fázích jeho vzniku.

Dnes převládá názor, že kosmické mikrovlnné záření na pozadí je záření uvolněné v okamžiku vzniku atomů vodíku. Předtím bylo záření uzamčeno ve hmotě, nebo spíše v tom, co tehdy bylo - v hustém horkém plazmatu.

Z tohoto předpokladu vychází metoda analýzy reliktního pozadí. Pokud mentálně vysledujete cestu každého fotonu, ukáže se, že povrch posledního rozptylu je koule, pak lze kolísání teploty pohodlně rozšířit do řady podle sférických funkcí:

kde jsou koeficienty, nazývané multipólové, a jsou sférické harmonické. Výsledné informace jsou velmi různorodé.

1. Různé informace jsou také obsaženy v odchylkách od záření černého tělesa. Pokud jsou odchylky rozsáhlé a systematické, pak je pozorován Sunyaev-Zeldovichův efekt, zatímco malé fluktuace jsou způsobeny kolísáním hmoty v raných fázích vývoje Vesmíru.
2. Zvláště cenné informace o prvních sekundách života vesmíru (zejména o fázi inflační expanze) poskytuje polarizace reliktního pozadí.

Sunyaev-Zeldovichův efekt

Pokud se CMB fotony na své cestě setkají s horkým plynem galaktických kup, pak se během rozptylu vlivem inverzního Comptonova jevu fotony zahřejí (to znamená zvýší frekvenci) a odeberou část energie horkým elektronům. Pozorovatelsky se to projeví poklesem toku záření kosmického mikrovlnného pozadí ve směru velkých kup galaxií v dlouhovlnné oblasti spektra.

Pomocí tohoto efektu můžete získat informace:

o tlaku horkého mezigalaktického plynu v kupě a případně o hmotnosti samotné kupy;
o rychlosti shluku podél linie pohledu (z pozorování na různých frekvencích);
na hodnotě Hubbleovy konstanty H0 pomocí pozorování v oblasti gama záření.

Při dostatečném počtu pozorovaných shluků lze určit celkovou hustotu Vesmíru Ω.

Polarizační mapa CMB podle dat WMAP

Polarizace kosmického mikrovlnného záření na pozadí mohla vzniknout pouze v éře osvícení. Od Thompsonova rozptylu je záření CMB lineárně polarizováno. V souladu s tím jsou Stokesovy parametry Q a U, které charakterizují lineární parametry, různé a parametr V je roven nule. Pokud lze intenzitu rozšířit do skalárních harmonických, pak lze polarizaci rozšířit na takzvané spinové harmonické:

Rozlišuje se E-mód (gradientní složka) a B-mód (rotační složka).

E-mód se může objevit, když záření prochází nehomogenním plazmatem v důsledku Thompsonova rozptylu. B-mód, jehož maximální amplituda dosahuje pouze , vzniká pouze při interakci s gravitačními vlnami.

B-mód je znakem inflace Vesmíru a je určen hustotou primárních gravitačních vln. Pozorování B-režimu je náročné kvůli neznámé hladině šumu pro tuto složku CMB a také kvůli tomu, že B-režim je smíchán slabou gravitační čočkou se silnějším E-režimem.

K dnešnímu dni byla objevena polarizace, její velikost je na úrovni několika (mikrokelvinů). B-režim nebyl dlouho pozorován. Poprvé byl objeven v roce 2013 a potvrzen v roce 2014.

Kolísání CMB

Po odstranění zdrojů pozadí, konstantní složky dipólové a kvadrupólové harmonické, zůstanou pouze fluktuace rozptýlené po obloze, jejichž amplitudový rozptyl leží v rozmezí od −15 do 15 μK.

Pro srovnání s teoretickými daty jsou nezpracovaná data redukována na rotačně invariantní veličinu:

„Spektrum“ je konstruováno pro hodnotu l(l+1)Cl/2π, z čehož se odvozují závěry důležité pro kosmologii. Například podle polohy prvního vrcholu lze posuzovat celkovou hustotu vesmíru a podle jeho hodnoty lze posuzovat obsah baryonu.

Tedy ze shody vzájemné korelace mezi anizotropií a E-módem polarizace s teoretickými předpověďmi pro malé úhly (θ<5°) и значительного расхождения в области больших можно сделать о наличии эпохи рекомбинации на z ≈ 15-20.

Vzhledem k tomu, že fluktuace jsou Gaussovské, lze pro konstrukci povrchu s maximální pravděpodobností použít metodu Markovova řetězce. Obecně je zpracování dat na pozadí na pozadí celý komplex programů. Nicméně jak konečný výsledek, tak použité předpoklady a kritéria vyvolávají diskusi. Různé skupiny ukázaly rozdíl mezi rozdělením fluktuace a Gaussovým rozdělením a závislost mapy rozdělení na algoritmech pro její zpracování.

Neočekávaným výsledkem byla anomální distribuce na velkých měřítcích (od 6° a více). Kvalita posledních potvrzujících dat získaných z Planck Space Observatory vylučuje chyby měření. Možná jsou způsobeny jevem, který dosud nebyl objeven a prozkoumán.

Pozorování vzdálených objektů

Lymanský alfa les

Ve spektrech některých vzdálených objektů lze pozorovat velkou akumulaci silných absorpčních čar v malé části spektra (tzv. les čar). Tyto linie jsou identifikovány jako linie Lymanovy řady, ale mají různé rudé posuvy.

Neutrální vodíková mračna účinně absorbují světlo o vlnových délkách od Lα (1216 Å) po Lymanův limit. Záření, zpočátku krátkovlnné, je na své cestě k nám v důsledku rozpínání vesmíru pohlcováno tam, kde je jeho vlnová délka srovnávána s tímto „lesem“. Interakční průřez je velmi velký a výpočty ukazují, že i malá část neutrálního vodíku je dostatečná k vytvoření velké absorpce v spojitém spektru.

S velkým počtem mraků neutrálního vodíku v dráze světla budou čáry umístěny tak blízko u sebe, že se v poměrně širokém intervalu spektra vytvoří pokles. Dlouhovlnná hranice tohoto intervalu je určena Lα a krátkovlnná hranice závisí na nejbližším červeném posuvu, blíže k němuž je médium ionizováno a neutrálního vodíku je málo. Tento efekt se nazývá Hahn-Petersonův efekt.

Efekt je pozorován u kvasarů s rudým posuvem z > 6. Odtud se usuzuje, že epocha ionizace mezigalaktického plynu začala v z ≈ 6.

Objekty s gravitační čočkou

Mezi efekty, které lze také pozorovat pro jakýkoli objekt (je jedno, zda je vzdálený), je třeba zahrnout efekt gravitační čočky. V poslední části bylo naznačeno, že pomocí gravitační čočky je konstruována vzdálenostní stupnice, jedná se o variantu tzv. silné čočky, kdy lze přímo pozorovat úhlové oddělení zdrojových obrazů. Existuje však také slabá čočka, kterou lze využít k prozkoumání potenciálu studovaného objektu. S jeho pomocí bylo tedy zjištěno, že kupy galaxií o velikosti od 10 do 100 Mpc jsou gravitačně vázány, a jsou tak největšími stabilními systémy ve vesmíru. Ukázalo se také, že tuto stabilitu zajišťuje hmota, která se projevuje pouze v gravitační interakci – temná hmota nebo, jak se tomu v kosmologii říká, temná hmota.

Povaha kvasaru

Jedinečnou vlastností kvasarů jsou velké koncentrace plynu v oblasti záření. Podle moderních koncepcí poskytuje akrece tohoto plynu na černou díru tak vysokou svítivost objektů. Vysoká koncentrace látky znamená také vysokou koncentraci těžkých prvků, a tedy znatelnější absorpční linie. Tak byly objeveny vodní linie ve spektru jednoho z čočkovitých kvasarů.

Jedinečnou výhodou je vysoká svítivost v rádiovém dosahu, na jeho pozadí je patrnější absorpce části záření studeným plynem. V tomto případě může plyn patřit jak domovské galaxii kvasaru, tak náhodnému oblaku neutrálního vodíku v mezigalaktickém prostředí nebo galaxii, která náhodně spadla do zorného pole (často jsou případy, kdy taková galaxie není vidět – je pro naše dalekohledy příliš tmavá). Studium mezihvězdné hmoty v galaxiích pomocí této metody se nazývá „transmission study“, například první galaxie s nadsolární metalicitou byla objevena podobným způsobem.

Dalším důležitým výsledkem použití této metody, i když ne v rádiovém rozsahu, ale v optickém rozsahu, je měření primární abundance deuteria. Aktuální hodnota četnosti deuteria získaná z takových pozorování je .

Pomocí kvasarů byla získána unikátní data o teplotě reliktního pozadí při z ≈ 1,8 a při z = 2,4. V prvním případě byly studovány linie hyperjemné struktury neutrálního uhlíku, pro které kvanta s T ≈ 7,5 K (odhadovaná teplota reliktního pozadí v té době) hrají roli čerpání, poskytující inverzní populaci hladin. Ve druhém případě byly objeveny čáry molekulárního vodíku H2, deuteridu vodíku HD a také molekuly oxidu uhelnatého CO, jehož intenzita spektra byla využita k měření teploty reliktního pozadí, shodovala se s očekávanou hodnotou s dobrou přesností.

Dalším úspěchem, který umožnily kvasary, je odhad rychlosti tvorby hvězd ve velkém z. Nejprve porovnáním spekter dvou různých kvasarů a poté porovnáním jednotlivých částí spektra téhož kvasaru objevili silný pokles v jedné z UV částí spektra. Tak silné selhání mohlo být způsobeno pouze vysokou koncentrací záření absorbujícího prach. Dříve se pokoušeli detekovat prach pomocí spektrálních čar, ale nepodařilo se identifikovat konkrétní sérii čar dokazujících, že jde o prach a ne o příměs těžkých prvků v plynu. Právě další vývoj této metody umožnil odhadnout rychlost tvorby hvězd při z od ~ 2 do ~ 6.

Pozorování gama záblesků

Populární model pro výskyt gama záblesku

Záblesky gama jsou ojedinělým jevem a neexistuje obecně přijímaný názor na jejich povahu. Naprostá většina vědců však souhlasí s tvrzením, že předkem gama záblesku jsou objekty hvězdné hmotnosti.

Jedinečné možnosti využití gama záblesků ke studiu struktury vesmíru jsou následující:

Vzhledem k tomu, že progenitor gama záblesku je objektem hvězdné hmotnosti, lze záblesky gama záření sledovat na větší vzdálenost než kvasary, a to jak kvůli dřívějšímu vytvoření samotného předchůdce, tak kvůli malé hmotnosti kvasarové černě. díra, a tedy menší svítivost po tuto dobu. Spektrum gama záblesku je spojité, to znamená, že neobsahuje spektrální čáry. To znamená, že nejvzdálenější absorpční čáry ve spektru záblesků gama jsou čáry mezihvězdného prostředí hostitelské galaxie. Z analýzy těchto spektrálních čar lze získat informace o teplotě mezihvězdného prostředí, jeho metalicitě, stupni ionizace a kinematice.

Záblesky gama poskytují téměř ideální způsob, jak studovat mezigalaktické prostředí před epochou reionizace, protože jejich vliv na mezigalaktické prostředí je o 10 řádů menší než u kvasarů, kvůli krátké životnosti zdroje. Pokud je dosvit gama záblesku v rádiovém dosahu dostatečně silný, pak lze z čáry 21 cm usuzovat na stav různých struktur neutrálního vodíku v intergalaktickém prostředí poblíž progenitorové galaxie záblesku gama. Detailní studium procesů vzniku hvězd v raných fázích vývoje vesmíru pomocí gama záblesků silně závisí na zvoleném modelu povahy jevu, ale pokud shromáždíte dostatečné statistiky a zkonstruujete rozložení charakteristik gama záblesky v závislosti na rudém posuvu, pak, zatímco zůstáváme v rámci poměrně obecných ustanovení, je možné odhadnout rychlost tvorby hvězd a hmotnostní funkci rodících se hvězd.

Pokud přijmeme předpoklad, že záblesk gama záření je výbuchem supernovy populace III, pak můžeme studovat historii obohacování vesmíru těžkými kovy. Záblesk gama může také sloužit jako ukazatel na velmi slabou trpasličí galaxii, kterou je obtížné detekovat při „hromadném“ pozorování oblohy.

Závažným problémem pro pozorování záblesků gama obecně a jejich použitelnost pro studium Vesmíru zejména je jejich sporadický charakter a krátká doba, kdy lze dosvit záblesku, podle kterého lze určit pouze vzdálenost k němu. pozorováno spektroskopicky.

Studium vývoje vesmíru a jeho rozsáhlé struktury

Studium velkoplošné struktury

Rozsáhlá data struktury 2df průzkumu

Prvním způsobem, jak studovat strukturu vesmíru ve velkém měřítku, která neztratila svou relevanci, byla takzvaná metoda „star count“ neboli metoda „star scoop“. Jeho podstatou je počítat počet objektů v různých směrech. Používal jej Herschel na konci 18. století, kdy se existence vzdálených vesmírných objektů pouze tušila a jedinými objekty dostupnými pro pozorování byly hvězdy, odtud název. Dnes samozřejmě nepočítají hvězdy, ale extragalaktické objekty (kvasary, galaxie) a kromě zvoleného směru konstruují rozložení podél z.

Největšími zdroji dat o extragalaktických objektech jsou individuální pozorování konkrétních objektů, průzkumy jako SDSS, APM, 2df a také kompilační databáze jako Ned a Hyperleda. Například v průzkumu 2df bylo pokrytí oblohy ~5%, střední hodnota z byla 0,11 (~500 Mpc) a počet objektů byl ~220 000.

Převládá názor, že při přechodu na měřítka stovek megaparseků se buňky sčítají a průměrují a distribuce viditelné hmoty se stává rovnoměrnou. Jasnosti v této otázce však dosud nebylo dosaženo: pomocí různých metod docházejí někteří badatelé k závěru, že neexistuje jednotnost v rozložení galaxií až do největších studovaných měřítek. Nehomogenity v rozložení galaxií přitom nevyvracejí skutečnost vysoké homogenity Vesmíru v počátečním stavu, která je odvozena od vysokého stupně izotropie záření kosmického mikrovlnného pozadí.

Zároveň bylo zjištěno, že rozložení počtu galaxií podle rudého posuvu je složité. Závislost je různá pro různé objekty. Všechny se však vyznačují přítomností několika lokálních maxim. S čím to souvisí, není zatím zcela jasné.

Až donedávna nebylo jasné, jak se rozsáhlá struktura vesmíru vyvíjí. Nedávné práce však ukazují, že nejprve vznikaly velké galaxie a teprve potom malé (tzv. downsizing efekt).

Pozorování hvězdokup

Populace bílých trpaslíků v kulové hvězdokupě NGC 6397. Modré čtverce jsou héliově bílí trpaslíci, fialové kruhy jsou „normální“ bílí trpaslíci s vysokým obsahem uhlíku.

Hlavní vlastností kulových hvězdokup pro pozorovací kosmologii je, že na malém prostoru je mnoho hvězd stejného stáří. To znamená, že pokud se nějakým způsobem měří vzdálenost k jednomu členu shluku, pak je rozdíl ve vzdálenosti k ostatním členům shluku zanedbatelný.

Současný vznik všech hvězd v kupě umožňuje určit její stáří: na základě teorie hvězdného vývoje jsou konstruovány izochrony, tedy křivky stejného stáří pro hvězdy různé hmotnosti. Jejich srovnáním s pozorovaným rozložením hvězd v kupě lze určit její stáří.

Metoda má řadu úskalí. Při pokusu o jejich vyřešení obdržely různé týmy v různých časech různého věku u nejstarších kup od ~8 miliard let do ~25 miliard let.

V galaxiích obsahují kulové hvězdokupy, které jsou součástí starého sférického subsystému galaxií, mnoho bílých trpaslíků – pozůstatků vyvinutých červených obrů relativně malé hmotnosti. Bílí trpaslíci jsou zbaveni svých vlastních zdrojů termonukleární energie a vyzařují pouze kvůli emisím tepelných rezerv. Bílí trpaslíci mají přibližně stejnou hmotnost jako jejich předchůdci, a tedy přibližně stejnou závislost teploty na čase. Určením jeho absolutní velikosti v daném okamžiku ze spektra bílého trpaslíka a znalostí vztahu čas-svítivost při ochlazování je možné určit stáří trpaslíka.

Tento přístup je však spojen s velkými technickými obtížemi – bílí trpaslíci jsou extrémně slabé objekty – k jejich pozorování jsou potřeba extrémně citlivé přístroje. Prvním a zatím jediným dalekohledem, který dokáže tento problém vyřešit, je vesmírný dalekohled pojmenovaný po. Hubble. Stáří nejstaršího shluku podle týmu, který s ním pracoval: miliardy let, výsledek je však sporný. Odpůrci poukazují na to, že nebyly zohledněny dodatečné zdroje chyb, jejich miliardový odhad.

Pozorování nevyvinutých objektů

NGC 1705 je galaxie BCDG

Objekty, které se ve skutečnosti skládají z primární hmoty, přežily do naší doby díky extrémně nízké rychlosti jejich vnitřního vývoje. To umožňuje studovat primární chemické složení prvků a také, aniž bychom zacházeli do přílišných podrobností a na základě laboratorních zákonů jaderné fyziky, odhadnout stáří takových objektů, což dá spodní hranici věk vesmíru jako celku.

Tento typ zahrnuje: nízkohmotné hvězdy s nízkou metalicitou (tzv. G-trpaslíci), nízkokovové HII oblasti a také trpasličí nepravidelné galaxie třídy BCDG (Blue Compact Dwarf Galaxy).

Podle moderních koncepcí mělo lithium vzniknout při primární nukleosyntéze. Zvláštnost tohoto prvku spočívá ve skutečnosti, že jaderné reakce s jeho účastí začínají při teplotách, které nejsou příliš velké, v kosmickém měřítku. A v průběhu hvězdného vývoje muselo být původní lithium téměř kompletně recyklováno. Mohlo zůstat pouze u masivních hvězd typu II. Takové hvězdy mají klidnou, nekonvektivní atmosféru, která umožňuje, aby lithium zůstalo na povrchu bez rizika spálení v teplejších vnitřních vrstvách hvězdy.

Během měření bylo zjištěno, že ve většině těchto hvězd je množství lithia:

Existuje však řada hvězd, včetně hvězd s ultranízkými kovy, jejichž početnost je výrazně nižší. S čím to souvisí, není zcela jasné, předpokládá se, že to nějak souvisí s procesy v atmosféře.

U hvězdy CS31082-001, člena hvězdné populace typu II, byly detekovány linie a byly měřeny atmosférické koncentrace thoria a uranu. Tyto dva prvky mají různé poločasy rozpadu, takže se jejich poměr v čase mění, a pokud nějak odhadnete počáteční poměr abundancí, můžete určit stáří hvězdy. Lze ji posoudit dvěma způsoby: z teorie r-procesů, potvrzené jak laboratorními měřeními, tak pozorováním Slunce; nebo je možné protnout křivku změn koncentrace v důsledku rozpadu a křivku změn množství thoria a uranu v atmosférách mladých hvězd v důsledku chemického vývoje Galaxie. Obě metody poskytly podobné výsledky: 15,5±3,2 miliardy let bylo získáno první metodou, miliarda let - druhou.

Slabě kovové galaxie BCDG (celkem jich je ~10) a zóny HII jsou zdrojem informací o primárním množství helia. Pro každý objekt z jeho spektra se stanoví metalicita (Z) a koncentrace He (Y). Extrapolací Y-Z diagramu určitým způsobem na Z=0 se získá odhad prvotního helia.

Výsledná hodnota Yp se liší od jedné skupiny pozorovatelů k druhé a od jednoho pozorovacího období k druhému. Takže jeden, skládající se z nejuznávanějších odborníků v této oblasti: Izotova a Thuan (Thuan) získali pro galaxie BCDG hodnotu Yp = 0,245 ± 0,004, pro HII - zóny se v tuto chvíli (2010) ustálili na hodnotě Yp = 0,2565 ± 0,006. Další autoritativní skupina vedená Peimbertem také získala různé hodnoty Yp, od 0,228±0,007 do 0,251±0,006.

Teoretické modely

Z celého souboru pozorovacích dat pro konstrukci a potvrzení teorií jsou klíčové tyto:

Jejich výklad začíná postulátem, že každý pozorovatel ve stejném okamžiku, bez ohledu na místo a směr pozorování, objeví v průměru stejný obraz. To znamená, že ve velkých měřítcích je vesmír prostorově homogenní a izotropní. Všimněte si, že toto tvrzení nezakazuje nehomogenitu v čase, to znamená existenci odlišných sekvencí událostí přístupných všem pozorovatelům.

Zastánci teorií stacionárního Vesmíru někdy formulují „dokonalý kosmologický princip“, podle kterého by čtyřrozměrný časoprostor měl mít vlastnosti homogenity a izotropie. Zdá se však, že evoluční procesy pozorované ve vesmíru nejsou v souladu s takovým kosmologickým principem.

V obecném případě se pro vytváření modelů používají následující teorie a části fyziky:

Rovnovážná statistická fyzika, její základní pojmy a principy, stejně jako teorie relativistického plynu.
Teorie gravitace, obvykle GR. Přestože jeho účinky byly testovány pouze v měřítku Sluneční soustavy, jeho použití v měřítku galaxií a vesmíru jako celku lze zpochybnit.
Některé informace z fyziky elementárních částic: seznam základních částic, jejich charakteristiky, typy interakcí, zákony zachování. Kosmologické modely by byly mnohem jednodušší, kdyby proton nebyl stabilní částicí a rozkládal by se, což moderní experimenty ve fyzikálních laboratořích nepotvrzují. V současné době je soubor modelů, který nejlépe vysvětluje pozorovací data:

Teorie velkého třesku. Popisuje chemické složení vesmíru.
Teorie stupně inflace. Vysvětluje důvod rozšíření.
Friedmanův prodlužovací model. Popisuje rozšíření.
Hierarchická teorie. Popisuje rozsáhlou strukturu.

Model rozšiřujícího se vesmíru

Model expandujícího vesmíru popisuje samotný fakt expanze. Obecně se nebere v úvahu, kdy a proč se vesmír začal rozpínat. Většina modelů je založena na obecné relativitě a jejím geometrickém pohledu na povahu gravitace.

Pokud je izotropně expandující médium uvažováno v souřadnicovém systému pevně spojeném s hmotou, pak se expanze vesmíru formálně redukuje na změnu měřítka celé souřadnicové sítě, v jejíchž uzlech jsou galaxie „zasazeny“. Takový souřadnicový systém se nazývá comoving. Počátek reference je obvykle spojen s pozorovatelem.

Neexistuje jediný úhel pohledu na to, zda je vesmír skutečně nekonečný nebo konečný v prostoru a objemu. Pozorovatelný vesmír je však konečný, protože rychlost světla je konečná a došlo k velkému třesku.

Friedmanův model

Etapa	Vývoj	Hubbleův parametr
Inflační
Radiační dominance p=ρ/3
Fáze prachu p=konst
- dominance

V rámci obecné teorie relativity lze celou dynamiku vesmíru zredukovat na jednoduché diferenciální rovnice pro měřítko.

V homogenním, izotropním čtyřrozměrném prostoru s konstantním zakřivením lze vzdálenost mezi dvěma nekonečně přibližnými body zapsat takto:

kde k má hodnotu:

• k=0 pro trojrozměrnou rovinu
• k=1 pro trojrozměrnou kouli
• k=-1 pro trojrozměrnou hypersféru

x - trojrozměrný vektor poloměru v kvazikartézských souřadnicích: .

Pokud do obecných rovnic relativity dosadíme výraz pro metriku, dostaneme následující soustavu rovnic:

• Energetická rovnice

• Pohybová rovnice

• Rovnice kontinuity

kde Λ je kosmologická konstanta, ρ je průměrná hustota vesmíru, P je tlak, c je rychlost světla.

Daný systém rovnic umožňuje mnoho řešení v závislosti na zvolených parametrech. Ve skutečnosti jsou hodnoty parametrů fixní pouze v aktuálním okamžiku a vyvíjejí se v čase, takže vývoj expanze je popsán souborem řešení.

Vysvětlení Hubbleova zákona

Předpokládejme, že se v doprovodném systému nachází zdroj ve vzdálenosti r 1 od pozorovatele. Přijímací zařízení pozorovatele registruje fázi přicházející vlny. Uvažujme dva intervaly mezi body se stejnou fází:

Na druhou stranu pro světelnou vlnu v akceptované metrice platí následující rovnost:

Pokud tuto rovnici integrujeme a zapamatujeme si, že v doprovodných souřadnicích r nezávisí na čase, pak za předpokladu, že vlnová délka je malá vzhledem k poloměru zakřivení vesmíru, dostaneme vztah:

Pokud to nyní dosadíme do původního poměru:

Po rozšíření pravé strany do Taylorovy řady, vezmeme-li v úvahu člen prvního řádu malosti, dostaneme vztah, který se přesně shoduje s Hubbleovým zákonem. Kde konstanta H má tvar:

ΛCDM

Jak již bylo zmíněno, Friedmannovy rovnice připouštějí mnoho řešení v závislosti na parametrech. A moderní model ΛCDM je Friedmanův model s obecně uznávanými parametry. Obvykle jsou v práci pozorovatelů uvedeny v pojmech souvisejících s kritickou hustotou:

Pokud vyjádříme levou stranu z Hubbleova zákona, pak po zmenšení dostaneme následující tvar:

kde Ω m =ρ/ρ cr, Ω k = -(kc 2)/(a 2 H 2) , Ω Λ = (8πGΛc 2)/ρ cr. Z tohoto zápisu je vidět, že pokud Ω m + Ω Λ = 1 , tj. celková hustota hmoty a temné energie je rovna kritické, pak k = 0 , tj. prostor je plochý, pokud je více, pak k = 1, pokud je menší než k = -1

V moderním obecně přijímaném modelu expanze je kosmologická konstanta kladná a výrazně odlišná od nuly, to znamená, že antigravitační síly vznikají ve velkých měřítcích. Povaha takových sil není známa, teoreticky by se takový účinek dal vysvětlit působením fyzikálního vakua, nicméně očekávaná hustota energie se ukazuje být o mnoho řádů větší než energie odpovídající pozorované hodnotě kosmologické konstanty. - problém kosmologické konstanty.

Zbývající možnosti jsou v současnosti pouze teoretického zájmu, ale to se může změnit se vznikem nových experimentálních dat. Moderní dějiny kosmologie už takové příklady znají: modely s nulovou kosmologickou konstantou dominovaly bezpodmínečně (kromě krátkého vzplanutí zájmu o jiné modely v 60. letech) od objevu kosmologického rudého posuvu HST až do roku 1998, kdy data o typu Ia supernovy přesvědčivě vyvrátily jejich.

Další vývoj expanze

Další průběh expanze obecně závisí na hodnotách kosmologické konstanty Λ, prostorové křivosti k a stavové rovnici P(ρ) . Vývoj rozšíření však lze kvalitativně odhadnout na základě poměrně obecných předpokladů.

Pokud je hodnota kosmologické konstanty záporná, pak působí pouze přitažlivé síly a nic jiného. Pravá strana energetické rovnice bude nezáporná pouze pro konečné hodnoty R. To znamená, že při nějaké hodnotě Rc se vesmír začne smršťovat na jakoukoli hodnotu k a bez ohledu na tvar rovnice Stát.

Pokud je kosmologická konstanta rovna nule, pak vývoj pro danou hodnotu H 0 závisí zcela na počáteční hustotě hmoty:

Jestliže , pak expanze pokračuje donekonečna, v limitě s rychlostí asymptoticky klesající k nule. Pokud je hustota větší než kritická, pak se expanze vesmíru zpomalí a je nahrazena kontrakcí. Pokud je méně, pak expanze pokračuje donekonečna s nenulovým limitem H.

Pokud Λ>0 a k≤0, pak se vesmír rozpíná monotónně, ale na rozdíl od případu Λ=0 se pro velké hodnoty R rychlost rozpínání zvyšuje:

Když k=1, zvolená hodnota je . V tomto případě existuje hodnota R, pro kterou a , to znamená, že vesmír je statický.

Pro Λ>Λ c rychlost expanze do určitého okamžiku klesá a poté se začne neomezeně zvyšovat. Jestliže Λ mírně překročí Λ c , pak rychlost expanze zůstane po určitou dobu prakticky nezměněna.

V případě Λ<Λ c всё зависит от начального значения R, с которого началось расширения. В зависимости от этого значения Вселенная либо будет расширяться до какого-то размера, а потом сожмётся, либо будет неограниченно расширяться.

Teorie velkého třesku (model horkého vesmíru)

Teorie velkého třesku je teorií prvotní nukleosyntézy. Odpovídá na otázku - jak vznikly chemické prvky a proč je jejich prevalence přesně taková, jaká je nyní. Je založen na extrapolaci zákonů jaderné a kvantové fyziky za předpokladu, že při přesunu do minulosti se průměrná energie částic (teplota) zvyšuje.

Hranicí použitelnosti je oblast vysokých energií, nad kterou přestávají studované zákony fungovat. V tomto případě již neexistuje žádná látka jako taková, ale existuje prakticky čistá energie. Pokud v té době extrapolujeme Hubbleův zákon, ukáže se, že viditelná oblast vesmíru se nacházela v malém objemu. Malý objem a vysoká energie jsou charakteristickým stavem hmoty po výbuchu, odtud název teorie – teorie velkého třesku. Odpověď na otázku přitom zůstává mimo rámec: „Co způsobilo tento výbuch a jaká je jeho povaha?

Také teorie velkého třesku předpověděla a vysvětlila původ kosmického mikrovlnného záření na pozadí - to je dědictví okamžiku, kdy byla veškerá hmota ještě ionizována a nemohla odolat tlaku světla. Jinými slovy, reliktní pozadí je pozůstatkem „fotosféry vesmíru“.

Entropie vesmíru

Hlavním argumentem potvrzujícím teorii horkého vesmíru je hodnota jeho specifické entropie. Rovná se až do číselného koeficientu poměru koncentrace rovnovážných fotonů n γ ke koncentraci baryonů nb.

Vyjádřeme nb pomocí kritické hustoty a zlomku baryonů:

kde h 100 je moderní Hubbleova hodnota, vyjádřená v jednotkách 100 km / (s Mpc), a vzhledem k tomu, že pro kosmické mikrovlnné pozadí s T = 2,73 K

cm–3,

dostaneme:

Reciproční hodnota je hodnota specifické entropie.

První tři minuty. Primární nukleosyntéza

Předpokládá se, že od začátku narození (nebo alespoň od konce inflační fáze) a během doby, než teplota zůstane pod 10 16 GeV (10 −10 s), jsou přítomny všechny známé elementární částice a všechny mají žádná mše. Toto období se nazývá obdobím Velkého sjednocení, kdy se spojují elektroslabé a silné interakce.

V tuto chvíli nelze přesně říci, které částice jsou v tu chvíli přítomny, ale něco se přece jen ví. Hodnota η není pouze ukazatelem specifické entropie, ale také charakterizuje přebytek částic nad antičásticemi:

V okamžiku, kdy teplota klesne pod 10 15 GeV, se pravděpodobně uvolní X- a Y-bosony s odpovídajícími hmotnostmi.

Období Velkého sjednocení je nahrazeno obdobím elektroslabého sjednocení, kdy elektromagnetické a slabé interakce představují jeden celek. V této epoše dochází k zániku X- a Y-bosonů. V okamžiku, kdy teplota klesne na 100 GeV, končí epocha elektroslabého sjednocování, vznikají kvarky, leptony a intermediární bosony.

Přichází éra hadronů, éra aktivní produkce a ničení hadronů a leptonů. V této epoše je pozoruhodný okamžik přechodu kvark-hadron nebo okamžik uzavření kvarků, kdy byla možná fúze kvarků do hadronů. V tuto chvíli je teplota 300-1000 MeV a doba od zrození vesmíru je 10 −6 s.

Éru hadronové éry vystřídá éra leptonová - v okamžiku, kdy teplota klesne na úroveň 100 MeV a hodiny jsou 10 −4 s. Během této éry se složení Vesmíru začíná podobat tomu modernímu; hlavní částice jsou fotony, kromě nich jsou zde jen elektrony a neutrina s jejich antičásticemi, dále protony a neutrony. Během tohoto období dochází k jedné důležité události: látka se stává transparentní pro neutrina. Objeví se něco jako reliktní pozadí, ale pro neutrina. Ale protože k oddělení neutrin došlo před oddělením fotonů, kdy některé typy částic ještě neanihilovaly a odevzdaly svou energii jiným, ochladily se více. Nyní by se neutrino mělo ochladit na 1,9 K, pokud neutrina nemají žádnou hmotnost (nebo jsou jejich hmotnosti zanedbatelné).

Při teplotě T≈0,7 MeV se naruší dříve existující termodynamická rovnováha mezi protony a neutrony a poměr koncentrace neutronů a protonů zamrzne na hodnotě 0,19. Začíná syntéza jader deuteria, helia a lithia. ~200 sekund po zrození vesmíru teplota klesne na hodnoty, při kterých již není nukleosyntéza možná, a chemické složení hmoty zůstává nezměněno až do zrození prvních hvězd.

Problémy s teorií velkého třesku

Navzdory značnému pokroku se teorie horkého vesmíru potýká s řadou obtíží. Pokud by Velký třesk způsobil expanzi Vesmíru, pak by v obecném případě mohlo dojít k silnému nehomogennímu rozložení hmoty, které není pozorováno. Teorie velkého třesku také expanzi vesmíru nevysvětluje, přijímá ji jako fakt.

Teorie také naznačuje, že poměr částic k antičásticím v původním stádiu byl takový, že vedl k současné převaze hmoty nad antihmotou. Dá se předpokládat, že na počátku byl Vesmír symetrický – bylo tam stejné množství hmoty a antihmoty, ale pak, aby se vysvětlila baryonová asymetrie, je nutný nějaký mechanismus baryogeneze, který by měl vést k možnosti rozpadu protonů, který se také nedodržuje.

Různé teorie Velkého sjednocení naznačují, že v raném vesmíru se zrodilo velké množství magnetických monopólů, které také nebyly dosud objeveny.

Inflační model

Cílem inflační teorie je odpovědět na otázky, které po sobě zanechala teorie expanze a teorie velkého třesku: „Proč se vesmír rozpíná? A co je to Velký třesk? K tomu je expanze extrapolována na nulový bod v čase a celá hmota vesmíru skončí v jednom bodě, čímž se vytvoří kosmologická singularita, často nazývaná Velký třesk. Tehdejší obecná teorie relativity je zřejmě již nepoužitelná, což vede k četným, ale bohužel zatím jen čistě spekulativním pokusům vyvinout obecnější teorii (či dokonce „novou fyziku“), která by tento problém řešila. kosmologická singularita.

Hlavní myšlenkou inflační fáze je, že pokud poháníme skalární pole zvané inflanton, jehož dopad je v počátečních fázích silný (od cca 10-42 s), ale s časem rychle klesá, pak plochá geometrie prostoru lze vysvětlit, zatímco Hubbleova expanze se stává inerciálním pohybem díky velké kinetické energii nahromaděné během inflace a původ z malé původně kauzálně propojené oblasti vysvětluje uniformitu a izotropii vesmíru.

Existuje však mnoho způsobů, jak nastavit nahuštění, což zase generuje spoustu modelů. Ale většina je založena na předpokladu pomalého rolování: inflantonový potenciál pomalu klesá na hodnotu rovnou nule. Konkrétní typ potenciálu a způsob nastavení počátečních hodnot závisí na zvolené teorii.

Inflační teorie se také dělí na nekonečné a konečné v čase. V teorii s nekonečnou inflací existují oblasti prostoru - domény - které se začaly rozpínat, ale díky kvantovým fluktuacím se vrátily do původního stavu, ve kterém vznikají podmínky pro opakovanou inflaci. Mezi takové teorie patří jakákoli teorie s nekonečným potenciálem a Lindeova chaotická teorie inflace.

Mezi teorie s konečnou dobou inflace patří hybridní model. Jsou v něm dva typy polí: první je zodpovědné za velké energie (a tedy i za rychlost expanze) a druhé za malé, které určují okamžik, kdy inflace skončí. V tomto případě mohou kvantové fluktuace ovlivnit pouze první pole, ale nikoli druhé, což znamená, že samotný inflační proces je konečný.

Mezi nevyřešené problémy inflace patří teplotní skoky ve velmi širokém rozmezí, v určitém okamžiku klesá téměř k absolutní nule. Na konci nafouknutí se látka znovu zahřeje na vysoké teploty. Role možného vysvětlení pro takové podivné chování je navržena "parametrická rezonance".

Multivesmír

"Multivesmír", "Velký vesmír", "Multivesmír", "Hypervesmír", "Supervesmír", "Multivesmír", "Omnivesmír" - různé překlady anglického výrazu multivesmír. Objevila se při vývoji teorie inflace.

Oblasti vesmíru oddělené vzdálenostmi většími než je velikost horizontu částic se vyvíjejí nezávisle na sobě. Každý pozorovatel vidí pouze ty procesy, které se vyskytují v oblasti, která se objemově rovná kouli s poloměrem rovným vzdálenosti k horizontu částic. V epoše inflace se dvě oblasti expanze, oddělené vzdáleností řádově horizontu, neprotínají.

Takové domény lze považovat za samostatné vesmíry, jako je náš vlastní: jsou podobně jednotné a izotropní ve velkých měřítcích. Konglomerátem takových útvarů je Multivesmír.

Chaotická teorie inflace předpokládá nekonečnou rozmanitost vesmírů, z nichž každý může mít jiné fyzikální konstanty než jiné vesmíry. V jiné teorii se vesmíry liší v kvantových dimenzích. Podle definice nelze tyto předpoklady experimentálně testovat.

Alternativy k teorii inflace

Kosmický inflační model je docela úspěšný, ale není nezbytný pro úvahy o kosmologii. Má odpůrce, včetně Rogera Penrose. Jejich argument se scvrkává na skutečnost, že řešení navrhovaná inflačním modelem zanechávají zapomenuté detaily. Tato teorie například nenabízí žádné zásadní zdůvodnění, že by poruchy hustoty v předinflační fázi měly být právě tak malé, aby po inflaci nastala pozorovatelná míra homogenity. U prostorového zakřivení je to podobné: při inflaci se velmi zmenšuje, ale nic nebránilo tomu, aby bylo před inflací tak důležité, aby se projevovalo i v současné fázi vývoje Vesmíru. Jinými slovy, problém počátečních hodnot není vyřešen, ale pouze dovedně zahalen.

Jako alternativy jsou navrženy exotické teorie, jako je teorie strun a teorie bran, stejně jako cyklická teorie. Hlavní myšlenkou těchto teorií je, že všechny potřebné počáteční hodnoty jsou vytvořeny před Velkým třeskem.

Teorie strun vyžaduje přidání několika dalších dimenzí k obvyklému čtyřrozměrnému časoprostoru, které by hrály roli v rané fázi vesmíru, ale nyní jsou ve zhutněném stavu. Na nevyhnutelnou otázku, proč jsou tyto rozměry zhutněny, se nabízí následující odpověď: superstruny mají T-dualitu, v souvislosti s níž se struna "navíjí" na další rozměry, omezující jejich velikost.

V teorii brane (M-teorie) vše začíná chladným, statickým pětirozměrným časoprostorem. Čtyři prostorové dimenze jsou omezeny trojrozměrnými stěnami nebo trojbranami; jedna z těchto stěn je prostor, ve kterém žijeme, zatímco druhá brána je vnímání skryta. Někde mezi dvěma hraničními branami ve čtyřrozměrném prostoru je „ztracená“ další trojbrana. Podle teorie se při srážce této brány s naší uvolní velké množství energie a tím se vytvoří podmínky pro vznik velkého třesku.

Cyklické teorie předpokládají, že Velký třesk není jedinečný svého druhu, ale předpokládá přechod vesmíru z jednoho stavu do druhého. Cyklické teorie byly poprvé navrženy ve 30. letech 20. století. Kamenem úrazu takových teorií byl druhý termodynamický zákon, podle kterého se entropie může jen zvětšovat. To znamená, že předchozí cykly by byly mnohem kratší a hmota v nich by byla mnohem žhavější než v době posledního velkého třesku, což je nepravděpodobné. V současné době existují dvě teorie cyklického typu, které dokázaly vyřešit problém stále rostoucí entropie: Steinhardt-Turokova teorie a Baum-Framptonova teorie.

Teorie evoluce rozsáhlých struktur

Umělecký dojem vzniku a kolapsu protogalaktických mraků.

Jak ukazují data na pozadí pozadí, v okamžiku oddělení záření od hmoty byl Vesmír vlastně homogenní, fluktuace hmoty byly extrémně malé a to je značný problém. Druhým problémem je buněčná struktura superkup galaxií a zároveň kulovitá struktura menších kup. Jakákoli teorie pokoušející se vysvětlit původ rozsáhlé struktury vesmíru musí nutně vyřešit tyto dva problémy (stejně jako správně modelovat morfologii galaxií).

Moderní teorie vzniku rozsáhlé struktury, ale i jednotlivých galaxií, se nazývá „hierarchická teorie“. Podstata teorie je následující: galaxie byly zpočátku malé velikosti (asi jako Magellanova mračna), ale postupem času se spojují a vytvářejí stále větší galaxie.

V poslední době je platnost teorie zpochybňována a nemalou měrou k tomu přispělo zmenšování. V teoretických studiích je však tato teorie dominantní. Nejvýraznějším příkladem takového výzkumu je Millennium simulation (Millenium run).

Obecná ustanovení

Klasická teorie vzniku a vývoje fluktuací v raném vesmíru je Jeansova teorie na pozadí expanze homogenního izotropního vesmíru:

Kde u s- rychlost zvuku v médiu, G je gravitační konstanta a ρ je hustota nenarušeného prostředí, je velikost relativního kolísání, Φ je gravitační potenciál vytvářený prostředím, v je rychlost prostředí, p(x,t) je lokální hustota média a zohlednění probíhá v pohyblivém souřadnicovém systému.

Daný systém rovnic lze zredukovat na jednu, popisující vývoj nehomogenit:

kde a je měřítko a k je vlnový vektor. Z toho zejména vyplývá, že výkyvy, jejichž velikost přesahuje:

V tomto případě je růst poruchy lineární nebo slabší v závislosti na vývoji Hubbleova parametru a hustotě energie.

Tento model adekvátně popisuje kolaps poruch v nerelativistickém prostředí, pokud je jejich velikost mnohem menší než aktuální horizont událostí (včetně temné hmoty během stadia s převahou záření). Pro opačné případy je nutné uvažovat přesné relativistické rovnice. Tenzor energie a hybnosti ideální tekutiny zohledňující malé poruchy hustoty

je kovariantně zachována, z čehož plynou hydrodynamické rovnice zobecněné pro relativistický případ. Spolu s obecnými rovnicemi relativity představují původní soustavu rovnic, které určují vývoj fluktuací v kosmologii na pozadí Friedmanova řešení.

Éra před rekombinací

Za významný moment ve vývoji rozsáhlé struktury vesmíru lze považovat okamžik rekombinace vodíku. Do této chvíle fungují některé mechanismy, po kterých - úplně jiné.

Počáteční hustotní vlny jsou větší než horizont událostí a neovlivňují hustotu hmoty ve Vesmíru. Ale jak se horizont rozšiřuje, velikost horizontu se porovnává s délkou rušivé vlny, jak se říká „vlna odchází pod horizont“ nebo „vstupuje pod horizont“. Poté je procesem jeho expanze šířením zvukové vlny na expandujícím pozadí.

Během této epochy vstupují do horizontu vlny s vlnovou délkou pro současnou epochu maximálně 790 Mpc. Vlny důležité pro vznik galaxií a jejich kup vstupují na samém začátku této etapy.

V této době je látkou vícesložkové plazma, ve kterém existuje mnoho různých účinných mechanismů pro tlumení všech zvukových poruch. Snad nejúčinnějším z nich v kosmologii je tlumení Silk. Po potlačení všech zvukových poruch zůstanou pouze adiabatické poruchy.

Po nějakou dobu probíhá vývoj obyčejné a temné hmoty synchronně, ale vlivem interakce se zářením teplota běžné hmoty klesá pomaleji. Dochází ke kinematickému a tepelnému oddělení temné hmoty a baryonové hmoty. Předpokládá se, že tento okamžik nastane v 10 5.

Chování baryonově-fotonové složky po oddělení a až do konce radiačního stupně je popsáno rovnicí:

kde k je hybnost uvažované vlny, η je konformní čas. Z jeho řešení vyplývá, že v této epoše se amplituda poruch hustoty baryonové složky nezvětšila ani nezmenšila, ale došlo k akustickým oscilacím:

Zároveň temná hmota nezaznamenala takové oscilace, protože ji neovlivňuje ani tlak světla, ani tlak baryonů a elektronů. Navíc se zvyšuje amplituda jeho poruch:

Po rekombinaci

Po rekombinaci je tlak fotonů a neutrin na hmotu již zanedbatelný. V důsledku toho jsou systémy rovnic popisujících poruchy temné a baryonské hmoty podobné:

Již z podobnosti tvaru rovnic lze předpokládat a následně dokázat, že rozdíl ve fluktuacích mezi temnou a baryonovou hmotou má tendenci ke konstantě. Jinými slovy, běžná hmota se valí do potenciálních děr tvořených temnou hmotou. Růst poruch bezprostředně po rekombinaci je určen roztokem

kde C i jsou konstanty závislé na počátečních hodnotách. Jak je patrné z výše uvedeného, ​​po dlouhou dobu kolísání hustoty roste úměrně k faktoru měřítka:

Všechny rychlosti růstu poruch uvedené v tomto a v předchozím odstavci rostou s vlnovým číslem k, proto s počátečním plochým spektrem poruch dosáhnou poruchy nejmenších prostorových měřítek dříve do fáze kolapsu, tedy objekty s nižší hmotností. se tvoří jako první.

Pro astronomii jsou zajímavé objekty s hmotností ~10 5 M ʘ. Faktem je, že při kolapsu temné hmoty vzniká protohalo. Vodík a helium, směřující ke svému středu, začnou emitovat a s hmotnostmi menšími než 10 5 M ʘ toto záření vrhá plyn zpět na okraj protostruktury. Při vyšších hmotnostech začíná proces vzniku prvních hvězd.

Důležitým důsledkem počátečního kolapsu je, že se objeví hvězdy o vysoké hmotnosti, které vyzařují v tvrdé části spektra. Emitovaná tvrdá kvanta se zase setkávají s neutrálním vodíkem a ionizují ho. Ihned po prvním výbuchu hvězdotvorby tedy nastává sekundární ionizace vodíku.

Fáze dominance temné energie

Předpokládejme, že tlak a hustota temné energie se s časem nemění, to znamená, že je popsána kosmologickou konstantou. Z obecných rovnic pro fluktuace v kosmologii pak vyplývá, že poruchy se vyvíjejí následovně:

Vzhledem k tomu, že potenciál je nepřímo úměrný faktoru měřítka a, znamená to, že poruchy nerostou a jejich velikost zůstává nezměněna. To znamená, že hierarchická teorie nepřipouští struktury větší než ty, které jsou v současnosti pozorovány.

V éře dominance temné energie dochází k posledním dvěma důležitým událostem pro rozsáhlé struktury: objevení se galaxií jako je Mléčná dráha - to se děje v z~2 a o něco později - vytváření kup a nadkup galaxií.

Problémy teorie

Hierarchická teorie, která logicky vyplývá z moderních osvědčených představ o vzniku hvězd a využívá velký arzenál matematických nástrojů, naráží v poslední době na řadu problémů teoretického a hlavně pozorovacího charakteru:

Největší teoretický problém spočívá v tom, kde se termodynamika a mechanika setkávají: bez zavedení dalších nefyzikálních sil není možné donutit dvě hala temné hmoty ke splynutí.
Prázdniny se tvoří blíže naší době než rekombinaci, nicméně nedávno objevené absolutně prázdné prostory o rozměrech 300 Mpc jsou s tímto tvrzením v rozporu.
Také obří galaxie se rodí ve špatnou dobu; jejich počet na jednotku objemu ve velkém z je mnohem větší, než předpovídá teorie. Navíc zůstává nezměněn, když by podle teorie měl růst velmi rychle.
Data z nejstarších kulových hvězdokup se nechtějí smířit s výbuchem formování hvězd o hmotnosti asi 100 Mʘ a preferují hvězdy jako naše Slunce. A to je jen část problémů, kterým teorie čelí.

Pokud extrapolujete Hubbleův zákon zpět v čase, skončíte s bodem, gravitační singularitou, nazývanou kosmologická singularita. To je velký problém, protože celý analytický aparát fyziky se stává zbytečným. A ačkoliv je možné po Gamowově cestě navržené v roce 1946 spolehlivě extrapolovat až do okamžiku, kdy jsou funkční moderní fyzikální zákony, není zatím možné přesně určit tento okamžik nástupu „nové fyziky“.

Otázka tvaru vesmíru je důležitou otevřenou otázkou v kosmologii. Matematicky jsme postaveni před problém najít trojrozměrnou topologii prostorového řezu Vesmíru, tedy obrazec, který nejlépe reprezentuje prostorový aspekt Vesmíru. Obecná teorie relativity jako lokální teorie nemůže dát úplnou odpověď na tuto otázku, i když také přináší určitá omezení.

Za prvé, není známo, zda je vesmír globálně prostorově plochý, tedy zda zákony euklidovské geometrie platí v největších měřítcích. V současné době se většina kosmologů domnívá, že pozorovatelný vesmír je velmi blízko prostorově plochému, s místními záhyby, kde masivní objekty deformují časoprostor. Tento názor byl potvrzen nedávnými daty WMAP, která se zabývala „akustickými oscilacemi“ v teplotních variacích CMB.

Za druhé, není známo, zda je vesmír jednoduše propojený nebo vícenásobně propojený. Podle standardního expanzního modelu nemá vesmír žádné prostorové hranice, ale může být prostorově konečný. To lze pochopit pomocí dvourozměrné analogie: povrch koule nemá hranice, ale má omezenou plochu a zakřivení koule je konstantní. Pokud je vesmír skutečně prostorově omezený, pak v některých jeho modelech, pohybujících se přímočaře v libovolném směru, se můžete dostat do výchozího bodu cesty (v některých případech je to nemožné kvůli vývoji časoprostoru) .

Za třetí, existují návrhy, že vesmír se původně zrodil jako rotující. Klasická myšlenka původu je, že Velký třesk je izotropní, to znamená, že energie se šíří rovnoměrně všemi směry. Objevila se však konkurenční hypotéza, která získala určitou podporu: tým výzkumníků z University of Michigan, vedený profesorem fyziky Michaelem Longem, zjistil, že spirální ramena galaxií otáčející se proti směru hodinových ručiček jsou o 7 % častější než galaxie s „opačnou orientací“, která může naznačovat přítomnost počátečního momentu rotace vesmíru. Tato hypotéza by měla být také testována pozorováním na jižní polokouli.

28.02.1993 15:16 | A. D. Chernin / Vesmír a my

Hvězdná obloha vždy zaměstnávala představivost lidí. Proč svítí hvězdy? Kolik jich v noci svítí? Jsou od nás daleko? Má hvězdný vesmír hranice? Od pradávna o tom člověk přemýšlel a snažil se pochopit a pochopit strukturu velkého světa, ve kterém žije.

Nejstarší představy lidí o hvězdném světě byly zachovány v pohádkách a legendách. Uplynula staletí a tisíciletí, než věda o vesmíru vznikla a získala hluboké opodstatnění a vývoj, odhalující nám pozoruhodnou jednoduchost a úžasný řád vesmíru. Ne nadarmo se ve starověkém Řecku Vesmír nazýval Kosmos: toto slovo původně znamenalo řád a krásu.

Obrázek světa

Ve starověké indické knize zvané „Rigveda“, což znamená „Kniha hymnů“, lze nalézt jeden z vůbec prvních popisů v historii lidstva celého Vesmíru jako jediného celku. Obsahuje především Zemi. Jeví se jako nekonečná rovná plocha – „obrovský prostor“. Tento povrch je nahoře pokrytý nebem - modrou klenbou posetou hvězdami. Mezi nebem a Zemí je „světelný vzduch“.

Rané představy o světě mezi starými Řeky a Římany jsou velmi podobné tomuto obrázku - také plochá Země pod kupolí oblohy.

To mělo k vědě hodně daleko. Zde je ale důležité něco jiného. Smělý cíl sám o sobě je pozoruhodný a grandiózní – myšlenkově obsáhnout celý vesmír. Odtud pramení naše důvěra, že lidská mysl je schopna chápat, chápat, rozluštit strukturu Vesmíru a ve své představivosti vytvořit úplný obraz světa.

Nebeské koule

Vědecký obraz světa se formoval jako nejdůležitější poznatky o Zemi, Slunci, Měsíci, planetách a hvězdách.

Zpátky v VI století. PŘED NAŠÍM LETOPOČTEM. velký matematik a filozof starověku Pythagoras učil, že Země je kulovitá. Důkazem toho je například kulatý stín naší planety dopadající na Měsíc při zatmění Měsíce.

Další velký vědec starověkého světa, Aristoteles, považoval celý Vesmír za sférický, sférický. Tuto myšlenku naznačoval nejen zaoblený vzhled oblohy, ale také kruhové denní pohyby svítidel. Umístil Zemi do středu svého obrazu vesmíru. Kolem ní bylo Slunce, Měsíc a pět v té době známých planet. Každé z těchto těles odpovídalo své vlastní kouli obíhající kolem naší planety. Těleso je „připoutáno“ ke své kouli, a proto se také pohybuje kolem Země. Osmá sféra byla považována za nejvzdálenější sféru, zahrnující všechny ostatní. Hvězdy jsou k němu „připojené“. Otáčel se také kolem Země v souladu s pozorovaným denním pohybem oblohy.

Aristoteles věřil, že nebeská tělesa, stejně jako jejich koule, jsou vyrobena ze speciálního „nebeského“ materiálu - éteru, který nemá vlastnosti gravitace a lehkosti a vykonává věčný kruhový pohyb ve světovém prostoru.

Tento obraz světa vládl v myslích lidí po dvě tisíciletí – až do éry Koperníka. Ve 2. století našeho letopočtu tento obrázek vylepšil Ptolemaios, slavný astronom a geograf, který žil v Alexandrii. Dal podrobnou matematickou teorii pohybu planet. Ptolemaios dokázal přesně vypočítat viditelné polohy svítidel – kde jsou nyní, kde byly dříve a kde budou později.

Pravda, pět koulí nestačilo na reprodukci všech jemných detailů pohybu planet po obloze. K pěti kruhovým pohybům musely být přidány nové a staré musely být přestavěny. Pro Ptolemaia se každá planeta účastnila několika kruhových pohybů a jejich přidání dalo viditelný pohyb planet po obloze.

Později, ve středověku, se Aristotelova nauka o nebeských sférách, která se tehdy stala obecně uznávanou, pokusila rozvinout úplně jiným směrem. Například koule byly navrženy jako krystaly. Proč? Asi proto, že křišťál je průhledný a navíc křišťálová koule je krásná! A přesto takové doplňky vůbec nezlepšily obraz vesmíru.

Svět Koperníka.

Koperníkova kniha, vydaná v roce jeho smrti (1543), nesla skromný název „O revolucích nebeských sfér“. Ale to bylo naprosté svržení aristotelského pohledu na svět. Složitý kolos dutých průhledných krystalových koulí se hned tak nestal minulostí. Od této doby začala nová éra v našem chápání vesmíru. Trvá to dodnes.

Díky Koperníkovi jsme se dozvěděli, že Slunce zaujímá svou správnou polohu ve středu planetárního systému. Země není středem světa, ale jednou z obyčejných planet obíhajících kolem Slunce. Takže všechno do sebe zapadlo. Nakonec byla vyřešena struktura sluneční soustavy.

Další objevy astronomů rozšířily rodinu planet. Je jich devět: Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun a Pluto. V tomto pořadí obsazují své oběžné dráhy kolem Slunce. Bylo objeveno mnoho malých těles Sluneční soustavy – asteroidy a komety. To však nezměnilo koperníkovskou představu světa. Všechny tyto objevy to naopak jen potvrzují a objasňují.

Nyní chápeme, že žijeme na malé planetě ve tvaru koule. Země obíhá kolem Slunce po dráze, která se příliš neliší od kruhu. Poloměr této oběžné dráhy se blíží 150 milionům kilometrů.

Vzdálenost od Slunce k Saturnu – nejvzdálenější planetě známé v době Koperníka – je přibližně desetkrát větší než poloměr zemské oběžné dráhy. Tuto vzdálenost zcela správně určil Koperník. Vzdálenost od Slunce k nejvzdálenější známé planetě (Pluto) je stále téměř čtyřikrát větší, přibližně šest miliard kilometrů.

Toto je obraz Vesmíru v našem bezprostředním okolí. Takový je svět podle Koperníka.

Ale sluneční soustava není celý vesmír. Dá se říci, že je to jen náš malý svět. A co vzdálené hvězdy? Koperník se o nich neodvážil vyjádřit. Prostě je nechal na stejném místě, na vzdálené kouli, kde je měl Aristoteles, a řekl pouze – a zcela správně – že vzdálenost k nim je mnohonásobně větší než velikost planetárních drah. Stejně jako starověcí vědci si představoval Vesmír jako uzavřený prostor, omezený na tuto sféru.

Kolik hvězd je na obloze?

Na tuto otázku odpoví každý: ach, hodně. Ale kolik - sto nebo tisíc?

Mnohem víc, milion nebo miliarda.

Tuto odpověď lze slyšet často.

Pohled na hvězdnou oblohu nám skutečně dává dojem nespočtu hvězd. Jak řekl Lomonosov ve své slavné básni: "Propast se otevřela, je plná hvězd, hvězdy nemají číslo..."

Ale ve skutečnosti není počet hvězd viditelných pouhým okem vůbec tak velký. Pokud nepodlehnete dojmu, ale pokusíte se je spočítat, ukáže se, že i za jasné bezměsíčné noci, kdy pozorování nic neruší, člověk s ostrým viděním neuvidí v obraze více než dva až tři tisíce blikajících bodů. nebe.

V seznamu sestaveném ve 2. století př. Kr. od slavného starořeckého astronoma Hipparcha a později doplněného Ptolemaiem je 1022 hvězd. Hevelius, poslední astronom, který provedl takové výpočty bez pomoci dalekohledu, zvýšil jejich počet na 1533.

Ale již ve starověku tušili existenci velkého množství hvězd neviditelných pouhým okem. Democritus, velký vědec starověku, řekl, že bělavý pruh táhnoucí se po celé obloze, který nazýváme Mléčná dráha, je ve skutečnosti kombinací světla z mnoha jednotlivě neviditelných hvězd. Spory o strukturu Mléčné dráhy pokračují po staletí. Řešení – ve prospěch Demokritova odhadu – přišlo v roce 1610, kdy Galileo oznámil první objevy učiněné na obloze pomocí dalekohledu. S pochopitelným vzrušením a hrdostí napsal, že se mu nyní podařilo „zpřístupnit oku hvězdy, které nikdy předtím nebyly viditelné a jejichž počet je nejméně desetkrát větší než počet hvězd známých z dávných dob“.

Slunce a hvězdy

Ale tento velký objev stále ponechal svět hvězd záhadným. Jsou všechny, viditelné i neviditelné, skutečně soustředěny v tenké kulovité vrstvě kolem Slunce?

Ještě před Galileovým objevem byla vyslovena pozoruhodně odvážná myšlenka, v té době nečekaná. Patří Giordanu Brunovi, jehož tragický osud zná každý. Bruno předložil myšlenku, že naše Slunce je jednou z hvězd vesmíru. Jen jeden z mnoha a ne střed vesmíru.

Jestliže Koperník poukázal na místo Země – vůbec ne ve středu světa, pak Bruno a Slunce toto privilegium zbavili.

Brunův nápad měl mnoho překvapivých důsledků. Z toho vyplynul odhad vzdáleností ke hvězdám. Slunce je hvězda, jako ostatní, ale pouze ta, která je nám nejblíže. Proto je tak velký a světlý. Jak daleko má být hvězda posunuta, aby vypadala jako například hvězda Sirius? Odpověď na tuto otázku dal holandský astronom Huygens (1629-1695). Porovnal lesk těchto dvou nebeských těles a dopadlo to takto: Sirius je od nás stotisíckrát dál než Slunce.

Abychom si lépe představili, jak velká je vzdálenost ke hvězdě, řekněme si toto: paprsek světla, který urazí tři sta tisíc kilometrů za jednu sekundu, trvá několik let, než se dostane od nás na Sirius. Astronomové v tomto případě hovoří o vzdálenosti několika světelných let. Podle moderních aktualizovaných údajů je vzdálenost k Siriusu 8,7 světelných let. A vzdálenost od nás ke Slunci je pouze 8 1/3 světelných minut.

Různé hvězdy se samozřejmě samy o sobě liší od Slunce i od sebe navzájem (s tím se počítá v moderním odhadu vzdálenosti k Siriusu). Určování vzdáleností k nim proto i nyní zůstává pro astronomy často obtížným, někdy prostě neřešitelným úkolem, i když k tomu bylo od dob Huygense vynalezeno mnoho nových metod.

Brunův pozoruhodný nápad a Huygensův výpočet na něm založený se staly velmi důležitým krokem ve vědě o vesmíru. Díky tomu se hranice našich znalostí o světě velmi rozšířily, překročily sluneční soustavu a dosáhly až ke hvězdám.

Galaxie

Od 17. století bylo nejdůležitějším cílem astronomů studovat Mléčnou dráhu – tuto gigantickou sbírku hvězd, kterou Galileo viděl svým dalekohledem. Úsilí mnoha generací astronomů-pozorovatelů bylo zaměřeno na zjištění, jaký je celkový počet hvězd v Mléčné dráze, určení jejího skutečného tvaru a hranic a odhad její velikosti. Teprve v 19. století bylo možné pochopit, že se jedná o jediný systém obsahující všechny viditelné a mnoho neviditelných hvězd. Naše Slunce a s ním i Země a planety jsou do tohoto systému zahrnuty za stejných podmínek jako všichni. Navíc se nacházejí daleko od centra, ale na okraji systému Mléčné dráhy.

Trvalo mnoho dalších desetiletí pečlivého pozorování a hlubokého přemýšlení, než mohla být struktura Galaxie objasněna. Tak začali nazývat hvězdný systém, který zevnitř vidíme jako pruh Mléčné dráhy. (Slovo „galaxie“ je odvozeno z novořeckého „galaktos“, což znamená „mléčný“).

Ukázalo se, že Galaxie má docela pravidelnou strukturu a tvar, a to i přes viditelnou členitost Mléčné dráhy a neuspořádanost, se kterou, jak se nám zdá, jsou hvězdy rozptýleny po obloze. Skládá se z disku, svatozáře a korunky. Jak je patrné ze schematického nákresu, disk vypadá jako dvě desky složené na okrajích. Je tvořen hvězdami, které se v tomto objemu pohybují po téměř kruhových drahách kolem středu Galaxie.

Průměr disku byl naměřen na přibližně sto tisíc světelných let. To znamená, že světlu trvá sto tisíc let, než překročí průměr disku od jednoho konce ke druhému. A počet hvězd na disku je přibližně sto miliard.

Ve svatozáři je desetkrát méně hvězd. (Slovo „halo“ znamená „kulatý“.) Vyplňují mírně zploštělý sférický objem a nepohybují se po kruhových, ale po vysoce protáhlých drahách. Roviny těchto drah procházejí středem Galaxie. Jsou rozmístěny víceméně rovnoměrně v různých směrech.

Disk a okolní halo jsou zapuštěny do koróny. Pokud jsou poloměry disku a halo srovnatelné, pak je poloměr koróny pětkrát a možná desetkrát větší. Proč možná"? Protože koruna je neviditelná – nevychází z ní žádné světlo. Jak se o tom tehdy astronomové dozvěděli?

Skrytá hmota

Všechna tělesa v přírodě vytvářejí gravitaci a zakoušejí její účinky. Hovoří o tom známý Newtonův zákon. O koruně se nedozvěděli podle světla, ale díky gravitaci, kterou vytváří. Ovlivňuje viditelné hvězdy, svítící oblaka plynu. Při pozorování pohybu těchto těles astronomové zjistili, že kromě disku a halo na ně působí ještě něco jiného. Podrobná studie nakonec umožnila objevit korónu, která vytváří další gravitaci. Ukázalo se, že je velmi hmotný - několikrát větší než celková hmotnost všech hvězd zahrnutých v disku a halu. To jsou informace, které získal estonský astronom J. Einasto a jeho spolupracovníci na observatoři Tartu a poté další astronomové.

Studium neviditelné koróny je samozřejmě obtížné. Z tohoto důvodu nejsou odhady jeho velikosti a hmotnosti zatím příliš přesné. Ale hlavní tajemství koruny je jiné: nevíme, z čeho se skládá. Nevíme, jestli jsou v něm hvězdy, i když jsou to nějaké neobvyklé, které vůbec nevyzařují světlo.

Nyní mnoho lidí předpokládá, že jeho hmotnost vůbec není složena z hvězd, ale z elementárních částic - například neutrin. Tyto částice jsou fyzikům známé již dlouhou dobu, ale samy zůstávají také záhadné. Co se o nich neví, dalo by se říci, je to nejdůležitější: zda mají klidovou hmotnost, tedy hmotnost, kterou má částice ve stavu, kdy se nepohybuje. Takovou hmotnost má mnoho elementárních částic (elektron, proton, neutron), ze kterých jsou vyrobeny všechny atomy. Ale foton, částice světla, ji nemá. Fotony existují pouze v pohybu. Neutrina by mohla sloužit jako materiál pro korónu, ale pouze pokud mají klidovou hmotu.

Je snadné si představit, jak netrpělivě astronomové očekávají zprávy z fyzikálních laboratoří, kde se provádějí speciální experimenty, aby se zjistilo, zda mají neutrina klidovou hmotnost. Teoretickí fyzici mezitím zvažují další možnosti pro elementární částice, ne nutně jen neutrina, která by mohla fungovat jako nosiče skryté hmoty.

Hvězdné světy.

Na začátku našeho století se hranice vesmíru rozšířily natolik, že zahrnovaly i Galaxii. Mnozí, ne-li všichni, si tehdy mysleli, že tento obrovský hvězdný systém je celý vesmír.

Ale ve dvacátých letech byly postaveny první velké dalekohledy a astronomům se otevřely nové a nečekané obzory. Ukázalo se, že mimo Galaxii svět nekončí. Miliardy hvězdných soustav, galaxií, podobných té naší, ale i odlišných od ní, jsou roztroušeny tu a tam po rozloze vesmíru.

Fotografie galaxií pořízené největšími dalekohledy jsou pozoruhodné svou krásou a rozmanitostí tvarů. Jsou to mocné víry hvězdných mraků a pravidelné koule nebo elipsoidy; jiné hvězdné systémy nevykazují správnou strukturu, jsou roztrhané a beztvaré. Všechny tyto typy galaxií – spirální, eliptické, nepravidelné, pojmenované podle vzhledu na fotografiích, objevil a popsal americký astronom Edwin Hubble ve 20-30 letech našeho století.

Pokud bychom naši Galaxii viděli zboku a zdálky, pak by se nám jevila úplně jinak než schematický nákres, podle kterého jsme se seznámili s její strukturou. Neviděli bychom ani disk, ani halo, ani samozřejmě korónu, která je obecně neviditelná. Z velké vzdálenosti by byly vidět jen ty nejjasnější hvězdy. A všechny, jak se ukázalo, jsou shromážděny v širokých pruzích, které se v obloucích táhnou z centrální oblasti Galaxie. Nejjasnější hvězdy tvoří jeho spirálový vzor. Pouze tento vzor by byl viditelný z dálky. Naše Galaxie na fotografii pořízené astronomem z nějaké jiné galaxie by vypadala velmi podobně jako mlhovina v Andromedě, jak se nám jeví z fotografií.

Výzkum v posledních letech ukázal, že mnoho velkých galaxií (nejen naše) má prodloužené a masivní neviditelné koróny. A to je velmi důležité: koneckonců, pokud ano, znamená to, že obecně téměř celá hmota Vesmíru, nebo v každém případě jeho převážná část, je tajemná, neviditelná, ale gravitující „skrytá“ hmota.

Řetězy a prázdnoty

Mnoho a možná téměř všechny galaxie jsou shromážděny v různých skupinách, které se nazývají skupiny, kupy a nadkupy - podle toho, kolik jich je. Skupina může obsahovat pouze 3 nebo 4 galaxie, ale nadkupa může obsahovat desítky tisíc. Naše Galaxie, mlhovina Andromeda a více než tisíc podobných objektů jsou zahrnuty do Místní nadkupy. Nemá jasně definovaný tvar a celkově působí spíše zploštěle.

Další superkupy, které leží daleko od nás, ale jsou zcela jasně viditelné pomocí moderních velkých dalekohledů, vypadají přibližně stejně.

Až donedávna se astronomové domnívali, že superkupy jsou největšími formacemi ve vesmíru a že žádné jiné větší systémy prostě neexistují. Ukázalo se však, že tomu tak nebylo.

Před několika lety sestavili astronomové úžasnou mapu vesmíru. Na něm je každá galaxie znázorněna pouhou tečkou. Na první pohled jsou po mapě roztroušeny náhodně. Když se podíváte pozorně, můžete najít skupiny, shluky a supershluky, přičemž ty druhé jsou reprezentovány řetězci teček. Mapa odhaluje, že některé z těchto řetězců se propojují a protínají a vytvářejí jakousi síťovinu nebo buněčný vzor, ​​připomínající krajku nebo možná plástev o velikosti buněk 100-300 milionů světelných let.

Zda takové „mřížky“ pokrývají celý vesmír, se teprve uvidí. Bylo však podrobně studováno několik jednotlivých buněk načrtnutých superclustery. Uvnitř nich nejsou téměř žádné galaxie; všechny jsou shromážděny ve „zdách“, které omezují obrovské dutiny, které se nyní nazývají „prázdnoty“ (tj. „prázdnota“).

Cell a Void jsou předběžná pracovní jména pro největší formaci ve vesmíru. Větší systémy v přírodě jsou nám neznámé. Můžeme tedy říci, že vědci nyní vyřešili jeden z nejambicióznějších problémů v astronomii – celá sekvence, nebo, jak se také říká, hierarchie astronomických systémů, je nyní zcela známa.

Vesmír

Více než cokoli jiného je samotný vesmír, který zahrnuje a zahrnuje všechny planety, hvězdy, galaxie, kupy, nadkupy a buňky s prázdnotou. Dosah moderních dalekohledů dosahuje několika miliard světelných let. Toto je velikost pozorovatelného vesmíru.

Všechna nebeská tělesa a systémy udivují svou rozmanitostí vlastností a složitostí struktury. Jak je strukturován celý vesmír, vesmír jako celek? Ukazuje se, že je to extrémně monotónní a jednoduché!

Jeho hlavní vlastností je homogenita. To lze říci přesněji. Představme si, že jsme mentálně identifikovali velmi velký krychlový objem ve vesmíru s hranou, řekněme, pět set milionů světelných let. Spočítejme, kolik galaxií v něm je. Udělejme stejné výpočty pro jiné, ale stejně gigantické objemy umístěné v různých částech Vesmíru. Pokud toto vše uděláte a porovnáte výsledky, ukáže se, že každá z nich, bez ohledu na to, kde je vezmete, obsahuje stejný počet galaxií. Totéž se stane při počítání shluků a sudých buněk.

Pokud tedy budeme ignorovat takové „detaily“, jako jsou shluky, nadkupy, buňky, a podíváme-li se na vesmír šířeji, mentálně přijmeme celé množství hvězdných světů najednou, objeví se před námi všude stejný – „pevný“ a homogenní.

Jednodušší zařízení si nedokážete představit. Nutno říci, že to lidé tuší už dlouho. Například úžasný myslitel Pascal (1623-1662) řekl, že svět je kruh, jehož střed je všude a obvod nikde. S pomocí vizuálního geometrického obrazu tedy mluvil o homogenitě světa.

V homogenním světě mají všechna „místa“, dalo by se říci, rovná práva a kterékoli z nich může tvrdit, že je středem světa. A pokud ano, pak to znamená, že neexistuje vůbec žádný střed světa.

Rozšíření

Vesmír má ještě jednu důležitou vlastnost, ale do konce 20. let našeho století o ní nikdo nevěděl. Vesmír je v pohybu – rozpíná se. Vzdálenost mezi shluky a nadkupami se neustále zvětšuje. Zdá se, že od sebe utíkají. A síť buněčné struktury je napnutá.

Lidé vždy raději považovali Vesmír za věčný a neměnný. Tento názor převládal až do 20. let. Věřilo se, že vesmír je omezen velikostí naší Galaxie. A i když se jednotlivé hvězdy Mléčné dráhy mohou rodit a zemřít, Galaxie zůstává stále stejná – stejně jako zůstává nezměněný les, ve kterém jsou stromy nahrazovány z generace na generaci.

Skutečná revoluce ve vědě o vesmíru byla provedena v letech 1922-24. díla petrohradského matematika Alexandra Alexandroviče Friedmana. Na základě obecné teorie relativity, kterou v té době Einstein právě vytvořil, matematicky dokázal, že svět není něco zamrzlého a neměnného. Jako jeden celek žije svým vlastním dynamickým životem, mění se v čase, rozšiřuje se nebo smršťuje podle přesně definovaných zákonitostí.

Friedman objevil nestacionární povahu vesmíru. To byla teoretická předpověď. O tom, zda se Vesmír rozpíná nebo smršťuje, bylo možné definitivně rozhodnout až na základě astronomických pozorování. Taková pozorování v letech 1928-29. Hubbleovi se to podařilo.

Zjistil, že vzdálené galaxie a celé jejich skupiny se od nás rozptylují všemi směry. Přesně tak by podle Friedmanových předpovědí mělo vypadat celkové rozpínání Vesmíru.

Pokud se vesmír rozpíná, znamená to, že v dávné minulosti byly kupy a nadkupy blíže k sobě. Z Friedmanovy teorie navíc vyplývá, že před 15-20 miliardami let ještě neexistovaly hvězdy ani galaxie a veškerá hmota byla smíchána a stlačena do kolosální hustoty. Tato látka pak měla obludně vysokou teplotu.

Velký třesk

Hypotézu o vysoké teplotě kosmické hmoty v oné vzdálené době předložil Georgij Antonovič Gamov (1904-1968), který zahájil studium kosmologie na Leningradské univerzitě pod vedením profesora A. A. Friedmana. Gamow tvrdil, že expanze vesmíru začala Velkým třeskem, ke kterému došlo současně a všude na světě. Velký třesk naplnil prostor horkou hmotou a zářením.

Prvotním cílem Gamowova výzkumu bylo určit původ chemických prvků, které tvoří všechna tělesa ve Vesmíru – galaxie, hvězdy, planety i nás samých.

Astronomové již dlouho zjistili, že nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru je vodík, číslo jedna v periodické tabulce. Tvoří přibližně 3/4 veškeré „obyčejné“ (nikoliv skryté) hmoty ve Vesmíru. Asi 1/4 je helium (prvek N2) a všechny ostatní prvky (uhlík, kyslík, vápník, křemík, železo atd.) tvoří velmi málo, do 2 % (hmot.). Toto je chemické složení Slunce a většiny hvězd.

Jak se vyvíjelo univerzální chemické složení kosmické hmoty, jak vůbec vznikl „standardní“ poměr mezi vodíkem a heliem?

Při hledání odpovědi na tuto otázku se astronomové a fyzici nejprve obrátili do nitra hvězd, kde intenzivně probíhají reakce přeměny atomových jader. Brzy se však ukázalo, že za podmínek, které existují v centrálních oblastech hvězd, jako je Slunce, nemohly vzniknout žádné prvky těžší než helium ve významném množství.

Ale co když se chemické prvky objevily ne ve hvězdách, ale okamžitě v celém vesmíru v prvních fázích kosmologické expanze? Automaticky je zajištěna univerzálnost chemického složení. Pokud jde o fyzikální podmínky, v raném vesmíru byla hmota nepochybně velmi hustá, v každém případě mnohem hustší než v nitru hvězd. Vysoká hustota zaručená Friedmanovou kosmologií je nepostradatelnou podmínkou pro vznik jaderných reakcí pro syntézu prvků. Tyto reakce také vyžadují vysokou teplotu látky. Raný Vesmír byl podle Gamowovy představy „kotlem“, ve kterém probíhala syntéza všech chemických prvků.

Jako výsledek mnohaleté kolektivní činnosti vědců z různých zemí, iniciované Gamowem, ve 40.-60. Ukázalo se, že kosmické množství dvou hlavních prvků – vodíku a helia – lze skutečně vysvětlit jadernými reakcemi v horké hmotě raného vesmíru. Těžší prvky musí být zjevně syntetizovány jiným způsobem (při explozích supernov).

Syntéza prvků je možná, jak již bylo řečeno, pouze za vysokých teplot; ale v zahřívané látce musí být podle obecných zákonů termodynamiky vždy záření, které je s ní v tepelné rovnováze. Po éře nukleosyntézy (která mimochodem trvala jen pár minut) záření nikam nemizí a pokračuje v pohybu spolu s hmotou během všeobecného vývoje rozpínajícího se Vesmíru. Měla by být zachována do současnosti, jen její teplota by měla být díky výrazné expanzi mnohem nižší než na počátku. Takové záření by mělo vytvořit obecné pozadí oblohy v oblasti krátkých rádiových vln.

Největší událostí v celé přírodní vědě, skutečným triumfem Friedmann-Gamowovy kosmologie, byl v roce 1965 objev kosmické rádiové emise předpovězené touto teorií. Toto byl nejdůležitější pozorovací objev v kosmologii od objevu obecné recese galaxií.

Jak vznikaly galaxie

Pozorování ukázala, že kosmické záření k nám přichází ze všech směrů ve vesmíru extrémně rovnoměrně. Tato skutečnost byla pro kosmologii prokázána s rekordní přesností: až na setiny procenta. S touto přesností nyní můžeme hovořit o obecné uniformitě, o homogenitě samotného Vesmíru jako celku.

Pozorování tedy spolehlivě potvrdila nejen myšlenku horkého začátku vesmíru, ale také představy o geometrických vlastnostech světa zakotvených v kosmologii.

Ale to není všechno. Poměrně nedávno byly v kosmickém pozadí nalezeny velmi slabé, méně než tisíciny procenta, odchylky od úplné a ideální uniformity. Kosmologové se z tohoto objevu radovali téměř nejednou při objevu samotného záření. To byl dlouho očekávaný objev.

Teoretici již dlouho předpovídají, že by v kosmickém záření měly být malé „vlnky“, které vznikly v raných dobách vesmíru, kdy v něm nebyly žádné hvězdy ani galaxie. Místo toho existovaly jen velmi slabé koncentrace hmoty, ze kterých se následně „zrodily“ moderní hvězdné systémy. Tyto kondenzace postupně vlivem vlastní gravitace zhušťovaly a v určité epoše se dokázaly „odpojit“ od obecné kosmologické expanze. Poté se proměnily v pozorovatelné galaxie, jejich skupiny, kupy a nadkupy. Přítomnost předgalaktických nehomogenit v raném vesmíru zanechala svůj jasný otisk na kosmickém pozadí záření: kvůli nim nemůže být dokonale rovnoměrné, což bylo objeveno v roce 1992 (viz „Astronomické zprávy“ na straně 14 – Ed.).

Informovaly o tom dvě skupiny pozorovacích astronomů – z Institutu pro výzkum vesmíru v Moskvě a z Goddardova vesmírného střediska poblíž Washingtonu. Jejich výzkum probíhal na orbitálních stanicích vybavených speciálními, velmi citlivými přijímači rádiových vln. Kosmické záření předpovězené Gamowem tak poskytlo astronomii novou službu.

Je třeba předpokládat, že skryté masy se také zrodily v jediné grandiózní události velkého třesku. Byly shromážděny do budoucích koron, uvnitř kterých se „obyčejná“ hmota dále stlačovala a rozpadala na relativně malé, ale husté fragmenty – oblaka plynu. Ty se pak vlivem vlastní gravitace ještě více stlačovaly a byly rozděleny na protohvězdy, které se nakonec změnily na hvězdy, když se v jejich nejhustších a nejžhavějších oblastech „zapnuly“ termonukleární reakce.

Uvolnění velké energie při reakcích přeměny vodíku na helium a následně na těžší prvky je zdrojem svítivosti jak úplně prvních hvězd, tak hvězd dalších generací. Nyní mohou astronomové přímo pozorovat zrození mladých hvězd v disku Galaxie: děje se tak před našima očima. Fyzikální povaha hvězd, důvod, proč tato fyzická těla vyzařují své světlo, a dokonce i jejich samotný původ již nejsou neřešitelnou záhadou.

Proč se rozšiřuje?

Pro vědu je mnohem obtížnější pokročit ve studiu raných, předhvězdných, pregalaktických fází vývoje světa, které nelze přímo pozorovat. Kosmické záření na pozadí nám hodně prozradilo o minulosti vesmíru. Ale hlavní otázky kosmologie zůstávají otevřené. To je především otázka po důvodu všeobecné expanze hmoty, která trvá 15-20 miliard let.

Zatím lze pouze vytvářet hypotézy, předkládat teoretické předpoklady a dohadovat se o fyzikální podstatě tohoto nejvelkolepějšího přírodního jevu. Jedna z těchto hypotéz si nyní získala velké množství nadšených příznivců.

Jeho prvotní myšlenkou je, že na samém počátku Vesmíru, ještě před érou nukleosyntézy, nevládla ve světě univerzální gravitace, ale univerzální antigravitace. Obecná teorie relativity, na které je kosmologie založena, takovou možnost v zásadě nevylučuje. Tuto myšlenku ve skutečnosti navrhl sám Einstein před mnoha lety.

Přijmeme-li tuto myšlenku, pak není těžké uhodnout, že díky antigravitaci by se všechna tělesa na světě neměla přitahovat, ale naopak odpuzovat a odlétat od sebe. Tato expanze se nezastavuje a pokračuje setrvačností i poté, co je antigravitace v určitém bodě nahrazena nám známou univerzální gravitací.

Tato jasná a plodná hypotéza se nyní aktivně rozvíjí v teoretických termínech, ale stále musí projít přísným pozorovacím testováním, aby se v případě úspěchu proměnila v přesvědčivý koncept, jak se to stalo dříve u teorií Friedmanna a Gamowa. Mezitím je to jen jedna ze zajímavých oblastí vědeckého výzkumu v kosmologii. Řešení nejúžasnějších tajemství velkého vesmíru teprve přijde.

A jeho charakteristické rysy, stejně jako přesná struktura a organizace Vesmíru, nám dávají důvod to předpokládat někdo za to stojí. Kniha – Mysli a zbohatni!

Náš vesmír vzbuzující úctu

Po tisíce let lidé obdivovali hvězdnou oblohu. Za jasné noci vynikají krásné hvězdy jako třpytivé drahokamy proti černé
pozadí vesmíru. Noc v celé své kráse zaplavuje zemi měsíčním světlem.

Lidé uvažující o takové podívané mají často otázky: „Co je vlastně ve vesmíru? Jak to celé funguje? Můžeme přijít na to, jak to všechno vzniklo? Odpovědi na tyto otázky nepochybně pomohou vysvětlit, proč Země a veškerý život na ní vznikly a co přinese budoucnost.

Před staletími se věřilo, že vesmír se skládá z několika tisíc hvězd, které jsou viditelné pouhým okem. Nyní však vědci díky výkonným přístrojům, které pečlivě skenují oblohu, vědí, že je jich mnohem více.

Ve skutečnosti to, co lze dnes vidět, vzbuzuje mnohem větší úctu, než si kdokoli dříve dokázal představit. Nezměřitelné
rozsah a složitost toho všeho děsí lidskou představivost.

Podle magazínu National Geographic ho znalost vesmíru, kterou člověk v současnosti získává, „omráčí“.

Ohromující rozměry

V předchozích stoletích si astronomové, kteří skenovali oblohu ranými dalekohledy, všimli jakýchsi nejasných útvarů podobných mrakům.

Naznačovali, že se jedná o blízké oblaka plynu. Ale ve 20. letech 20. století, kdy se začaly používat větší a výkonnější dalekohledy, se tyto „plyny“ ukázaly jako mnohem větší a významnější jev – galaxie.

Galaxie je obrovská sbírka hvězd, plynů a další hmoty obíhající kolem centrálního jádra. Galaxie byly nazývány ostrovními vesmíry, protože každá z nich sama o sobě připomíná vesmír.

Vezměme si například galaxii, ve které žijeme, zvanou Mléčná dráha. Naše sluneční soustava, tedy Slunce, Země a další planety s jejich satelity, je součástí této galaxie. Ale je to jen malá část, protože naše Mléčná dráha se skládá z více než 100
miliarda hvězd!

Někteří vědci odhadují, že existuje nejméně 200 až 400 miliard hvězd. Jeden vědecký redaktor dokonce prohlásil: „Je možné, že v Mléčné dráze
Cesta obsahuje pět až deset bilionů hvězd."

Průměr naší Galaxie je tak velký, že i kdybyste se mohli pohybovat rychlostí světla (299 793 kilometrů za sekundu), překročení by vám trvalo 100 000 let! Kolik je to kilometrů?

Protože světlo urazí asi deset bilionů (10000000000000) kilometrů za rok, dostanete odpověď vynásobením tohoto čísla číslem 100 000: průměr
Naše Mléčná dráha je přibližně jeden kvintilion (1000000000000000000) kilometrů!

Průměrná vzdálenost mezi hvězdami v naší galaxii se odhaduje na asi šest světelných let, tedy asi 60 bilionů kilometrů.

Takové rozměry a vzdálenosti jsou lidskou myslí téměř nemožné pochopit. A přesto je naše Galaxie pouze začátkem toho, co je ve vesmíru! Je tu ještě něco úžasnějšího: dosud bylo objeveno tolik galaxií, že jsou nyní považovány za „stejně běžné jako stébla trávy na louce“.

Ve viditelném vesmíru je asi deset miliard galaxií! Ale je toho mnohem víc, co je mimo dohled moderních dalekohledů. Někteří astronomové věří, že vesmír obsahuje 100 miliard galaxií! A každá galaxie se může skládat ze stovek miliard hvězd!

Kupy galaxií

Ale to není vše. Tyto galaxie vzbuzující úctu nejsou rozptýleny náhodně po celém vesmíru. Naopak se většinou nacházejí v určitých skupinách, tzv. hroznech, jako bobule v hroznu. Tisíce těchto kup galaxií již byly pozorovány a vyfotografovány.

Některé kupy obsahují relativně málo galaxií. Mléčná dráha je například součástí kupy asi dvaceti galaxií.

V rámci této místní skupiny s námi „sousedí“ jedna galaxie, kterou lze za jasné noci vidět bez dalekohledu. Mluvíme o galaxii Andromeda, která má stejně jako naše Galaxie spirální strukturu.

Jiné kupy galaxií se skládají z mnoha desítek a možná stovek nebo dokonce tisíců galaxií. Odhaduje se, že jedna taková kupa obsahuje asi 10 000 galaxií!

Vzdálenost mezi galaxiemi v kupě může v průměru jeden milion světelných let. Vzdálenost od jedné kupy galaxií k druhé však může být stokrát větší. A dokonce existují důkazy, že samotné shluky jsou uspořádány do „super shluků“, jako shluky na vinné révě. Jaká kolosální velikost a jak skvělá organizace!

Podobná organizace

Když se vrátíme zpět do naší sluneční soustavy, najdeme podobné, skvěle organizované uspořádání. Slunce je středně velká hvězda -
je „jádro“, kolem kterého se Země a další planety spolu se svými satelity pohybují po přesně specifikovaných drahách.

Rok od roku se pohybují s takovou matematickou nevyhnutelností, že astronomové mohou přesně předpovědět, kde se v té či oné době budou nacházet.

Stejnou přesnost najdeme při pohledu na nekonečně malý svět atomů. Atom je zázrak řádu, jako miniaturní sluneční soustava. Atom se skládá z jádra složeného z protonů a neutronů a malých elektronů obklopujících jádro. Veškerá hmota se skládá z těchto stavebních bloků
podrobnosti.

Jedna látka se od druhé liší počtem protonů a neutronů v jádře a také počtem a uspořádáním elektronů rotujících kolem ní. V tom všem je ideální pořádek, protože všechny prvky, které tvoří hmotu, lze podle dostupného počtu těchto stavebních dílů uvést do úhledného systému.

Co vysvětluje tuto organizaci?

Jak jsme již poznamenali, velikost vesmíru vzbuzuje skutečně úctu. Totéž lze říci o jeho úžasném designu. Od nekonečně velkých po nekonečně malé, od shluků galaxií po atomy, se vesmír vyznačuje velkolepou organizací.

Časopis Discover řekl: „Jsme překvapeni, že cítíme řád, a naši kosmologové a fyzici stále nacházejí nové, překvapivé aspekty tohoto řádu...

Jsme zvyklí říkat, že je to zázrak, a stále si dovolujeme mluvit o celém vesmíru jako o zázraku.“ Uspořádaná struktura je potvrzena i použitím slova, které v astronomii označuje vesmír: „kosmos“.

Jedna referenční příručka toto slovo definuje jako „koherentní, organizovaný systém, v protikladu k chaosu, neuspořádané akumulaci hmoty“.

Bývalý astronaut John Glenn upozornil na „pořádek v celém vesmíru kolem nás“ a na to, že „všechny galaxie se pohybují dovnitř“.
zavedené oběžné dráhy v určitém vzájemném poměru.

A tak se zeptal: „Mohlo se to stát náhodou? To bylo
Je to náhoda, že se unášené předměty najednou začaly samy pohybovat po těchto drahách?"

Jeho závěr byl: "Nemůžu tomu uvěřit... Nějaká Síla vynesla všechny tyto předměty na oběžnou dráhu a drží je tam."

Vesmír je skutečně tak přesně uspořádán, že člověk může použít nebeská tělesa jako základ pro měření času. Ale jakékoli
dobře postavené hodinky jsou zjevně produktem spořádané mysli schopné designu. Je to pořádek
Pouze racionální člověk může mít myslící mysl schopnou navrhovat.

Jak tedy uvažovat o mnohem složitější konstrukci a spolehlivosti, která se nachází v celém vesmíru? Nenaznačuje to?
také je to na projektantovi, na tvůrci, na plánu - na intelektu? A máte nějaký důvod věřit, že intelekt může existovat odděleně od osobnosti?

Jedna věc, kterou nemůžeme neuznat, je, že skvělá organizace vyžaduje skvělého organizátora. V naší životní zkušenosti není ani jeden
incident, který by naznačoval náhodný výskyt něčeho organizovaného. Všechny naše životní zkušenosti naopak ukazují, že každá organizace musí mít svého organizátora.

Každý stroj, počítač, budova, dokonce i tužka a kus papíru měly výrobce, organizér. Je logické, že mnohem složitější a úžasnější organizace vesmíru by měla mít také svého organizátora.

Zákon vyžaduje zákonodárce

Navíc celý vesmír, od atomů po galaxie, se řídí určitými fyzikálními zákony. Existují například zákony upravující teplo, světlo, zvuk a gravitaci.

Fyzik Stephen W. Hawking řekl: „Čím více vesmír studujeme, tím je jasnější, že není vůbec náhodný, ale řídí se určitými dobře zavedenými zákony, které fungují v různých oblastech.

Předpoklad, že existují nějaké univerzální principy, takže všechny zákony jsou součástí nějakého většího zákona, se zdá docela rozumný."

Raketový vědec Wernher von Braun šel ještě dále, když prohlásil: „Přírodní zákony ve vesmíru jsou tak přesné, že nemáme žádné potíže
postavit vesmírnou loď, která by mohla letět na Měsíc, a let můžeme načasovat na zlomek sekundy.

Tyto zákony musel někdo vytvořit." Vědci, kteří chtějí úspěšně umístit raketu na oběžnou dráhu kolem Země nebo Měsíce, musí jednat v souladu s těmito univerzálními zákony.

Když přemýšlíme o zákonech, uvědomujeme si, že musí pocházet od zákonodárného sboru. Za stopkou je určitě osoba nebo skupina lidí, kteří ten zákon vytvořili.

Co tedy lze říci o všezahrnujících zákonech, které řídí hmotný vesmír? Takto brilantně vypočítané zákony nepochybně ukazují na vysoce inteligentního zákonodárce.

Organizátor a zákonodárce

Po komentáři k mnoha zvláštním podmínkám, které jsou tak zřejmé ve vesmíru, charakterizovaném řádem a pravidelností, v Science News
(Science News) poznamenal: „Přemýšlení o tom znepokojuje kosmology, protože se zdá, že tak výjimečné a přesné podmínky by jen stěží mohly být vytvořeny náhodou.

Jedním ze způsobů, jak tento problém vyřešit, je předpokládat, že vše bylo vymyšleno, a připsat to Boží Prozřetelnosti.“

Mnoho lidí, včetně mnoha vědců, se zdráhá tuto možnost přijmout. Jiní jsou ale připraveni přiznat to, o čem nás fakta vytrvale přesvědčují – rozum. Uvědomují si, že taková kolosální velikost, přesnost a vzor, ​​jaké se vyskytují v celém vesmíru, nemohly být nikdy vytvořeny pouhou náhodou. To vše musí být výsledkem činnosti nad rámec rozumu.

Přesně tento závěr vyjádřil jeden z pisatelů Bible, který o hmotných nebesích řekl: „Pozdvihněte své oči k výšinám nebes a podívejte se, kdo je stvořil? Kdo vyvede armádu tím, že je spočítá? Všechny je nazývá jménem." „On“ není nikdo jiný než „ten, kdo stvořil nebesa a jejich prostory“ (Izajáš 40:26; 42:5).

Zdroj energie

Existující hmota podléhá univerzálním zákonům. Ale odkud se celá tato záležitost vzala? Carl Sagan v knize Cosmos říká: „Na začátku
existence tohoto vesmíru neexistovaly žádné galaxie, žádné hvězdy nebo planety, žádný život ani civilizace."

Přechod z tohoto stavu do moderního vesmíru nazývá „nejúžasnější transformací hmoty a energie, jakou jsme měli tu čest si představit“.

To je klíč k pochopení toho, jak mohl vesmír začít existovat: muselo dojít k transformaci energie a hmoty.

Tento vztah potvrzuje slavný Einsteinův vzorec E=mc2 (energie se rovná hmotnosti krát druhá mocnina rychlosti světla). Z tohoto vzorce
z toho plyne závěr, že hmotu lze vytvořit z energie, stejně jako lze z hmoty získat kolosální energii.

Důkazem toho druhého byla atomová bomba. Astrofyzik Josip Kleczek proto řekl: „Většina elementárních částic a možná všechny
mohou být vytvořeny materializací energie.“

Proto předpoklad, že zdroj neomezené energie by měl surovinu pro vytvoření hmoty vesmíru, má vědecký důkaz.

Dříve citovaný pisatel Bible poznamenal, že tento zdroj energie je živý, myslící člověk, když řekl: „Hodnotou síly a
Kvůli Jeho velké moci nic (ani jedno z nebeských těles) neselže.“

Z biblického hlediska se tedy za tím, co je popsáno v Genesis 1:1 slovy „Na počátku stvořil Bůh nebe a zemi“, skrývá tento zdroj
nevyčerpatelná energie.

Začátek nebyl chaotický

Vědci nyní obecně uznávají, že vesmír měl počátek. Jedna slavná teorie, která se pokouší popsat tento začátek, se nazývá teorie „velkého třesku“. „Téměř všechny nedávné diskuse o původu vesmíru jsou založeny na teorii,“ poznamenává Francis Crick.

Jastrow mluví o tomto kosmickém „výbuchu“ jako o „doslovném okamžiku stvoření“. Vědci, jak přiznal astrofyzik John Gribbin v časopise New
Vědec (New Scientist) „tvrdí, že jsou z velké části schopni popsat podrobně“, co se stalo po tomto „okamžiku“, ale
Z jakého důvodu k tomuto „okamžiku stvoření“ došlo, zůstává záhadou.

"Je možné, že to nakonec udělal Bůh," poznamenal zamyšleně.

Většina vědců však není ochotna spojit tento „okamžik“ s Bohem. Proto je „výbuch“ obvykle popisován jako něco chaotického, jako výbuch
atomová bomba. Ale vede takový výbuch ke zlepšení organizace něčeho? Dělat bomby svržené na města během
války, krásně postavené budovy, ulice a dopravní značky?

Naopak, takové výbuchy způsobují smrt, zmatek, chaos a zkázu. A když vybuchne jaderná zbraň, narušení je totální
zažila to v roce 1945 japonská města Hirošima a Nagasaki.

Ne, jednoduchá „exploze“ nemohla vytvořit náš úžasný vesmír s jeho úžasným řádem, účelnou strukturou a zákony.

Jen mocný organizátor a zákonodárce mohl nasměrovat obrovské síly při práci tak, aby výsledkem byla velkolepá organizace a vynikající zákony.

Proto vědecké důkazy a logika poskytují pevný základ pro následující biblický výrok: „Nebesa vypravují o Boží slávě a obloha vypráví o díle jeho rukou“ (Žalm 19:2).

Bible se tedy dostává k otázkám, na které evoluční teorie nedokázala přesvědčivě odpovědět. Místo toho, aby nás Bible nechala v nevědomosti o původu všeho, dává nám jednoduchou a jasnou odpověď.

Potvrzuje vědecká i naše vlastní pozorování, že nic nevzniká samo od sebe.

I když jsme nebyli osobně přítomni při vztyčování vesmíru, je zřejmé, že to vyžadovalo mistra projektanta, podle úvah Bible: „Každý dům někdo postavil; a ten, kdo všechno stvořil, je Bůh“ (Židům 3:4).

MOSKVA, 15. června – RIA Novosti. Vesmír se mohl zrodit pouze jako výsledek Velkého třesku, protože všechny alternativní scénáře jeho vzniku vedou k okamžitému kolapsu novorozeného vesmíru a jeho zničení, uvádí článek publikovaný v časopise Physical Review D.

"Všechny tyto teorie byly vyvinuty s cílem vysvětlit počáteční "hladkou" strukturu vesmíru v okamžiku jeho zrodu a "pátrat" ​​po primárních podmínkách jeho vzniku. Ukázali jsme, že ve skutečnosti dávají vzniknout opačnému obrazu - vznikají v nich silné poruchy, které nakonec vedou ke kolapsu celého systému,“ píší Jean-Luc Lehners z Institutu gravitační fyziky v Postupimi (Německo) a jeho kolegové.

Většina kosmologů věří, že vesmír se zrodil ze singularity, která se začala rychle rozšiřovat v prvních okamžicích po Velkém třesku. Jiná skupina astrofyziků se domnívá, že zrodu našeho vesmíru předcházela smrt jeho „předchůdce“, k níž pravděpodobně došlo během takzvaného „velkého roztržení“.

Hlavním problémem těchto teorií je, že jsou neslučitelné s teorií relativity – v okamžiku, kdy byl Vesmír bezrozměrným bodem, měl mít nekonečnou hustotu energie a zakřivení prostoru a uvnitř něj měly vznikat mocné kvantové fluktuace, což je z pohledu Einsteinova duchovního dítěte nemožné.

K vyřešení tohoto problému vyvinuli vědci za posledních 30 let několik alternativních teorií, v nichž se vesmír rodí za jiných, méně extrémních podmínek. Například Stephen Hawking a James Hartle před 30 lety navrhli, že Vesmír byl bodem nejen v prostoru, ale i v čase a před jeho zrodem čas v našem chápání tohoto slova prostě neexistoval. Když se objevil čas, prostor byl již relativně „plochý“ a homogenní, takže mohl vzniknout „normální“ vesmír s „klasickými“ fyzikálními zákony.

Sovětsko-americký fyzik Alexander Vilenkin zase věří, že náš vesmír představuje jakousi „bublinu“ falešného vakua uvnitř věčného a neustále se rozšiřujícího obřího multivesmíru, kde se podobné bubliny neustále objevují v důsledku kvantových fluktuací vakua. zrozen doslova z ničeho.

Obě tyto teorie se vyhýbají otázce „počátku času“ a neslučitelnosti podmínek velkého třesku s einsteinovskou fyzikou, zároveň však nastolují novou otázku – jsou takové varianty rozpínání vesmíru schopny dávající vzniknout ve formě, ve které nyní existuje?

Jak ukazují výpočty Lehnerse a jeho kolegů, ve skutečnosti takové scénáře zrodu Vesmíru nemohou v zásadě fungovat. Ve většině případů nevedou ke zrodu „plochého“ a klidného Vesmíru, jako je ten náš, ale ke vzniku silných poruch v jeho struktuře, které učiní takové „alternativní“ vesmíry nestabilními. Navíc pravděpodobnost zrodu takto nestabilního Vesmíru je mnohem vyšší než u jeho stabilních protějšků, což zpochybňuje myšlenky Hawkinga a Vilenkina.

Velkému třesku se tedy nelze vyhnout – vědci, jak Lehners a jeho kolegové usuzují, budou muset najít způsob, jak uvést do souladu kvantovou mechaniku a teorii relativity, a také pochopit, jak byly kvantové fluktuace potlačeny extrémně vysokou hustotou hmoty a zakřivením. časoprostoru.