Модель гарячого Всесвіту
Американський
фізик Георгій Антонович Гамов в 1946 році заклав основи однієї з
фундаментальних концепцій сучасної космології - моделі "гарячої
Всесвіту ".
В
цієї моделі основна увага переноситься на стан речовини і фізичні
процеси, що йдуть на різних стадіях розширення Всесвіту, включаючи найбільш
ранні стадії, коли стан був незвичайним.
З
побудовою моделей "гарячого Всесвіту" в космології поряд із законами
тяжіння активно застосовуються закони термодинаміки, дані ядерної фізики та
фізики елементарних частинок. Виникає релятивістська астрофізика.
Модель
гарячого Всесвіту отримала емпіричне підтвердження у 1965 році у відкритті
реліктового випромінювання американськими вченими Пензиасом і Вілсоном.
Реліктове
випромінювання - одна зі складових загального фону космічного електромагнітного
випромінювання. Реліктове випромінювання рівномірно розподілено по небесній сфері та у сфері
інтенсивності відповідає тепловому випромінюванню абсолютно чорного тіла при
температкур близько 3К.
Згідно
моделі гарячого Всесвіту, плазма і електромагнітне випромінювання на ранніх стадіях
розширення Всесвіту володіли високою щільністю і температурою. У ході
космологічного розширення Всесвіту ця температура падала. При досягненні
температури близько 4000 К сталася рекомбінація протонів і електронів, після
чого рівновагу утворився речовини (водню та гелію) з випромінюванням
порушилося - кванти випромінювання вже не мали необхідної для іонізації речовини
енергією і проходили через нього як через прозору середу. Температура
відокремилися випромінювання продовжувала знижуватися і до нашої епохи склала близько
3К. Таким чином, це випромінювання збереглося до наших днів як релікт від епохи
рекомбінації і освіти нейтральних атомів водню й гелію. Воно залишилося
як відлуння бурхливого народження Всесвіту, яке часто називають Великим вибухом.
В
основі сучасної космології лежать уявлення про однорідність і
ізотропності Всесвіту: у Всесвіті немає яких-небудь виділених точок і
напрямків, тобто всі крапки та напрямки рівноправні. Це твердження про
однорідності і ізотропності Всесвіту часто називають космологічним
постулатом.
В
теорії однорідної ізотропної Всесвіту виявляються можливими дві моделі Всесвіту:
відкрита і замкнута.
В
відкритої моделі кривизна тривимірного простору негативна або (в межах)
дорівнює нулю, Всесвіт нескінченний; в такій моделі рассотянія між скупченнями
галактик з часом необмежено зростають.
В
замкнутої моделі кривизна простору позитивна, Всесвіт скінченна (але так
ж безмежна, як і у відкритій моделі); в такій моделі розширення з часом
змінюється стиском.
На
підставі наявних спостережних даних не можна зробити ніякого вибору між
відкритою та замкнутої моделями. Ця неопределнность ніяк не позначається на
загальному характері минулого і сучасного розширення, але впливає на вік
Всесвіту (тривалість розширення) - величину не достатньо визначену за
даними спостережень.
В
моделях однорідної ізотропної Всесвіту виділяється її особливе початкове
стан - сингулярність. Цей стан характеризується величезною щільністю
маси і кривизною простору. З сингулярності починається вибуховий,
сповільнення з часом розширення.
Значення
постійною Хаббла (вірніше, параметра Хаббла) визначає час, що минув з
початку розширення Всесвіту, яке зараз оцінюється в 10-20 млрд. років.
Сучасна
космологія малює картину Всесвіту поблизу сингулярності. В умовах дуже
високої температури поблизу сингулярності не могли існувати не тільки
молекули й атоми, але навіть і атомні ядра; існувала лише рівноважна суміш
різних елементарних частинок.
Рівняння
сучасної космології дозволяють знайти закон розширення однорідною і ізотропної
Всесвіту і описати зміну її фізичних параметрів у процесі розширення.
З
цих рівнянь випливає, що початкові високі щільність і температура швидко
падали.
Загальні
закони фізики надійно перевірені при ядерних щільності, а таку щільність
Всесвіт має через 10-4с від початку розширення. Отже, з цього
часу від стану сингулярності фізичні властивості еволюціонує
Всесвіту цілком піддаються вивченню (у ряді випадків цей кордон відсувають
безпосередньо до сингулярності).
В
останні десятиліття розвиток космології і фізики елементарних часток
дозволило теоретично розглянути саму початкову стадію надщільним
розширення Всесвіту, який завершився вже до моменту t близько 10-36 с. Цю
стадію розширення Всесвіту назвали інфляційної. На цій стадії, коли
температура була неймовірно висока (більше 1028 К), Всесвіт розширювалася з
прискоренням, а енергія в одиниці об'єму залишалася постійною.
До
моменту рекомбінації, який настав приблизно через мільйон років після початку
розширення, Всесвіт була непрозорою для квантів світла. Тому з допомогою
електромагнітного випромінювання не можна заглянути в епоху, що передує
рекомбінації.
моделей.
Спочатку
розширення Всесвіту її температура була настільки висока, що енергії фотонів
вистачало для народження пар всіх відомих частинок і античастинок. При температурі
До 1013 у Всесвіті народжувалися й гинули (анігілювати) пари різних частинок і
їх античастинок. При зниженні температури до 5х1012 До майже всі протони і
нейтрони анігілювати, перетворившись на кванти випромінювання; залишилися тільки ті
з них, для яких "не вистачило" античастинок. Фотони, енергія яких
до цього часу стала менше, вже не могли породжувати частки і античастинки. Спостереження
реліктового фону показали, що початковий надлишок часток в порівнянні з
античастинками становив незначну частку (одну мільярдну) від їх загальної кількості.
Саме з цих "надлишкових" протонів і нейтронів в основному складається
речовина сучасної спостережуваного Всесвіту.
При
температурі 2х1010 К з речовиною перестали взаємодіяти нейтрино - від
цього моменту повинен був залишитися "реліктовий фон нейтрино",
виявити який, можливо, вдасться в майбутньому.
Через
кілька секунд після початку розширення Всесвіту почалася епоха, коли
утворилися ядра дейтерію, гелію, літію та берилію - епоха первинного
нуклеосинтезу. Тривала ця епоха приблизно 3 хвилини. Її результатом в
основному стало утворення ядер гелію. Інші елементи, важчі, ніж гелій,
склали нікчемно малу частину речовини.
Визначення
хімічного складу (особливо зміст гелію, дейтерію і літію) найстаріших
зірок і міжзоряного середовища молодих галактик є одним із способів перевірки
висновків теорії гарячого Всесвіту.
Після
епохи нуклеосинтезу (t близько 3 хв.) і до епохи рекомбінації (t близько 106 років)
відбувалося спокійне розширення та охолодження Всесвіту.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://nrc.edu.ru/
