Космологія

From WikiVirgo

Наука про розвиток Всесвіту як єдиного цілого.

Однорідність та ізотропія Всесвіту. Космологічний принцип

Зі спостереження Великомасштабної структури Всесвіту можна зробити висновок, що Всесвіт є просторово однорідним на масштабах більше 150 Мпк. З іншого боку, спостереження позагалактичних об'єктів (галактик, квазарів, гамма-спалахів, мікрохвильового фону) вказують на відсутність істотної анізотропії.

Існування однорідності та ізотропії Всесвіту на великих масштабах є основою так званого космологічного принципу. Іншим підгрунтям космологічного принципу є твердження про домінуючу роль гравітації. Дійсно, оскільки сильні та слабкі взаємодії сильно спадають з ростом відстані, а електромагнітна (кулонівська) взаємодія в середньому компенсується, саме гравітація є основною рушійною силою космології (В дійсності, хоча врахування електромагнітної взаємодії є важливим для процесу утворення структур, однорідний Всесвіт може бути описаний за допомогою гравітації).

Розширення Всесвіту. Закон Хаббла

Важливим спостережувальним фактом в космології є спостереження однорідного розбігання галактик. Зокрема, для нерелятивістських швидкостей розбігання справедлива формула Хаббла: H₀r = v,v -- космологічна (Після віднімання локальних швидкостей, пов'язаних, зокрема, з рухом в гравітаційному потенціалі) швидкість розбігання галактик, r -- відстань між ними, H₀ -- стала пропорційності, яка називається сталою Хаббла. Чисельне значення сталої Хаббла в нашу епоху, отримане з повного аналізу сучасних космологічних даних, дорівнює \eq{H_0 = 73 \pm 4 \cyrk\cyrm/(\cyrs\cyre\cyrk\cdot\CYRM\cyrp\cyrk).}

Основи космології

Існування однорідного, ізотропного Всесвіту, що розширюється, може бути представлене за допомогою повітряної кулі, яка наповнюється газом. В результаті, радіус повітряної кулі збільшується, "намальовані" на ній точкові об'єкти будуть розширюватися за законом Хаббла.

Незважаючи на те, що для отримання точних рівнянь космології необхідно використовувати Загальну Теорію Відносності, деякі важливі результати можуть бути отримані без її використання. Зокрема, оскільки в моделі існують лише три розмірні змінні, стала Хаббла H₀, гравітаційна стала G_N та швидкість світла c, єдиною величиною розмірності густини в моделі є \eq{\rho \sim \frac{H_0^2}{G_N} \approx 8.4 \cdot 10^{-29} \cyrg/\cyrs\cyrm^3.}

Іншим важливим моментом є еволюція густини матерії та випромінювання у Всесвіті. З моделі "повітряної кулі" випливає, що густина (нерелятивістської) матерії повинна змінюватися як $\rho_{m} \propto a^{-3}$ (де $a$ -- характерний лінійний розмір Всесвіту). В той же час, густина випромінювання має змінюватися за іншим законом, $\rho_{r} \propto a^{-4}$, оскільки довжина хвилі кожного фотона також збільшується при розширенні Всесвіту. В результаті, якщо Всесвіт розширювався достатньо довго, в минулому була епоха, коли густина випромінювання домінувала над густиною речовини (модель великого вибуху). Залишком тієї епохи, зокрема, є реліктове випромінювання космічного мікрохвильового фону, яке має температуру близько 2.7 К.

Слід зауважити, що подальше дослідження властивостей Всесвіту як цілого вимагають використання теорії релятивістської гравітації, зокрема, Загальної Теорії Відносності. Саме ЗТВ дає можливість визначити характер еволюції масштабного фактору з часом, що дає можливість отримати передбачення ефектів космології.